Novel qubits in hybrid semiconductor-superconductor nanostructures

आज की मशीनों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाले कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक एक आदर्श स्विच बनाने की दौड़ में लगे हैं, जिसे सूचना की एक इकाई 'क्यूबिट' (qubit) कहा जाता है। आपके फोन के साधारण ऑन-ऑफ स्विच के विपरीत, एक क्यूबिट एक ही समय में 'ऑन' और 'ऑफ' दोनों होने की जटिल अवस्था में रह सकता है, लेकिन यह नाजुक स्थिति जरा से कंपन या गर्मी से आसानी से टूट सकती है। इन नाजुक अवस्थाओं की रक्षा के लिए, शोधकर्ताओं ने पारंपरिक रूप से दो अलग-अलग दिशाओं में देखा है। एक पथ सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) धातु के छोटे द्वीपों का उपयोग करता है, जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, ताकि ऐसे सर्किट बनाए जा सकें जो बड़े हों और जिन्हें माइक्रोवेव के साथ नियंत्रित करना आसान हो। दूसरा पथ सेमीकंडक्टर्स (अर्धचालकों) में फंसे व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करता है, जो उन्हीं सामग्रियों से बने होते हैं जो कंप्यूटर चिप्स में पाई जाती हैं, जो अविश्वसनीय रूप से छोटे होते हैं और अपनी अवस्था को लंबे समय तक बनाए रख सकते हैं। प्रत्येक दृष्टिकोण की अपनी ताकत और कमजोरियां हैं, जिससे वैज्ञानिक यह सोचने पर मजबूर हैं कि क्या वे दोनों दुनियाओं के सर्वश्रेष्ठ को एक एकल, बेहतर उपकरण में मिला सकते हैं।

हालिया शोध की एक नई समीक्षा बताती है कि यह हाइब्रिड (संकर) दृष्टिकोण न केवल संभव है, बल्कि पहले से ही आशाजनक परिणाम दे रहा है। नैनोस्केल पर सुपरकंडक्टर्स और सेमीकंडक्टर्स को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने क्वांटम स्विचों का एक नया परिवार बनाया है जिन्हें चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय विद्युत क्षेत्रों के साथ ट्यून किया जा सकता है। यह लचीलापन अधिक तेज़ और सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे ये हाइब्रिड संरचनाएं अद्वितीय क्वांटम अवस्थाओं को होस्ट कर सकती हैं, जैसे कि सुपरकंडक्टर के भीतर फंसी विशेष ऊर्जा स्तर, जिनका उपयोग सूचना संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है। शायद सबसे रोमांचक बात यह है कि समीक्षा 'मजोराना स्टेट्स' (Majorana states) नामक विलक्षण कणों पर आधारित एक प्रकार के क्यूबिट बनाने की ओर पहले सफल कदमों का विवरण देती है। ये कण अनुमानित हैं कि वे स्वाभाविक रूप से उस शोर से सुरक्षित रहेंगे जो आमतौर पर क्वांटम सूचना को नष्ट कर देता है, जिससे एक ऐसा कंप्यूटर बनाने का संभावित मार्ग मिलता है जो वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में बहुत अधिक मजबूत हो।

इन हाइब्रिड उपकरणों तक पहुँचने की यात्रा एक सरल विचार के साथ शुरू हुई: यदि आप एक सेमीकंडक्टर को एक सुपरकंडक्टर के बगल में रखते हैं, तो सुपरकंडक्टिंग गुण सेमीकंडक्टर में "लीक" होने चाहिए, जिससे एक ऐसा क्षेत्र बनेगा जहाँ इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाते हैं और बिना प्रतिरोध के बहते हैं। दशकों तक, इसे प्राप्त करना कठिन था क्योंकि दोनों सामग्रियों के बीच का इंटरफेस अक्सर अव्यवस्थित होता था, जिससे अशुद्धियाँ बिजली के प्रवाह को रोक देती थीं। हालाँकि, सामग्री विज्ञान में हालिया प्रगति ने वैज्ञानिकों को परमाणु सटीकता के साथ इन परतों को उगाने की अनुमति दी है, जिससे एक स्वच्छ और निर्बाध संबंध बना है। इस सफलता ने "गेमोन" (gatemons) के निर्माण को सक्षम किया है, जो एक प्रकार का सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट है जहाँ करंट के प्रवाह को एक गेट पर वोल्टेज लागू करके ऑन और ऑफ किया जा सकता है या ट्यून किया जा सकता है, बिल्कुल एक मानक कंप्यूटर चिप में ट्रांजिस्टर की तरह। यह भारी चुंबकीय कॉइल की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे उपकरणों को स्केल अप करना और नियंत्रित करना आसान हो जाता है।

बिजली के प्रवाह को ट्यून करने के अलावा, ये हाइब्रिड संरचनाएं वैज्ञानिकों को 'क्वांटम डॉट्स' नामक छोटे द्वीपों में व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों को फंसाने की अनुमति देती हैं। जब एक इलेक्ट्रॉन ऐसे डॉट में सुपरकंडक्टर के पास फंस जाता है, तो वह 'एंड्रीव बाउंड स्टेट' (Andreev bound state) नामक एक विशेष अवस्था बना सकता है। इन अवस्थाओं में, इलेक्ट्रॉन और उसका साथी, एक 'होल' (hole), डॉट और सुपरकंडक्टर के बीच आगे-पीछे उछलते हैं, जिससे एक अद्वितीय ऊर्जा स्तर बनता है जो सुपरकंडक्टिंग गैप के भीतर सुरक्षित रहता है। शोधकर्ताओं ने इन स्तरों को स्वयं क्यूबिट के रूप में उपयोग करना सीख लिया है। फँसे हुए इलेक्ट्रॉन के स्पिन को नियंत्रित करके, वे सूचना को एनकोड कर सकते हैं। समीक्षा रिपोर्ट करती है कि वैज्ञानिकों ने पहले ही उच्च सटीकता के साथ इन "एंड्रीव स्पिन क्यूबिट्स" को नियंत्रित करने की क्षमता का प्रदर्शन किया है, जिससे दशकों के माइक्रोसेकंड तक चलने वाले सुसंगत दोलन (coherent oscillations) प्राप्त हुए हैं। यह एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, जो यह सिद्ध करता है कि एक सुपरकडिंग सर्किट के भीतर एक एकल कण के स्पिन को नियंत्रित किया जा सकता है।

हालाँकि, इस शोध का सबसे महत्वाकांक्षी लक्ष्य ऐसे क्यूबिट बनाना है जो इंजीनियरिंग के बजाय भौतिकी के नियमों द्वारा संरक्षित हों। इसमें 'टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर' नामक पदार्थ की एक अवस्था बनाना शामिल है, जो मजोराना ज़ीरो मोड्स (Majorana zero modes) नामक कणों को होस्ट करती है। ये साधारण कण नहीं हैं बल्कि विलक्षण उत्तेजनाएं (excitations) हैं जो इस तरह व्यवहार करती हैं कि वे स्थानीय गड़बड़ी से अविश्वसनीय रूप से प्रतिरोधी हो जाती हैं। यदि आप इनमें से किसी एक कण को बाधित करने की कोशिश करते हैं, तो इसके द्वारा धारण की गई सूचना पूरे सिस्टम में फैल जाती है, जिससे एक छोटी सी खराबी के लिए डेटा को नष्ट करना असंभव हो जाता है। समीक्षा में "मिनिमल किटाव चेन्स" (minimal Kitaev chains) के निर्माण का विवरण दिया गया है, जो क्वांटम डॉट्स की छोटी, इंजीनियर की गई श्रृंखलाएं हैं जिन्हें मजोराना कणों के प्रकट होने के लिए आवश्यक स्थितियों की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

पेपर में वर्णित एक ऐतिहासिक प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने दो ऐसी मिनिमल चेन्स को आपस में जोड़कर एक क्यूबिट सफलतापूर्वक बनाया। इस क्यूबिट में सूचना सिस्टम के सामूहिक "पैरिटी" (parity) में संग्रहीत होती है, जो एक गुण है जो यह बताता है कि इलेक्ट्रॉनों की संख्या सम (even) है या विषम (odd)। टीम ने प्रदर्शित किया कि वे विद्युत पल्स लागू करके इस क्यूबिट को नियंत्रित कर सकते हैं, जिससे यह विभिन्न अवस्थाओं के बीच दोलन कर सकता है। उन्होंने इस दोलन के क्षय (decay) होने के समय को मापा, और लगभग 26 नैनोसेकंड का सुसंगतता समय (coherence time) पाया। हालांकि यह अन्य प्रकार के क्यूबिट की तुलना में बहुत कम है, लेकिन यह उपलब्धि गहन है क्योंकि यह पहली बार है जब एक मजोराना-आधारित क्यूबिट को सुसंगत रूप से नियंत्रित किया गया है। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि वे एक सिंगल शॉट में क्यूबिट की स्थिति को पढ़ सकते हैं, जो किसी भी व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।

आगे का रास्ता चुनौतियों से रहित नहीं है। वर्तमान उपकरण अभी भी शोर के प्रति संवेदनशील हैं, और सुसंगतता समय विभिन्न कारकों के कारण सीमित है, जिसमें बिखरे हुए कण शामिल हैं जो क्यूबिट की अवस्था को बदल सकते हैं। समीक्षा इस बात पर जोर देती है कि हालांकि ये शुरुआती उपकरण अभी तक पूर्ण अर्थ में टोपोलॉजिकल रूप से सुरक्षित नहीं हैं—अर्थात वे सभी त्रुटियों से मुक्त नहीं हैं—वे एक महत्वपूर्ण 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करते हैं। वे प्रदर्शित करते हैं कि इन विलक्षण अवस्थाओं को बनाने और हेरफेर करने के लिए आवश्यक जटिल भौतिकी को इंजीनियर और नियंत्रित किया जा सकता है। शोधकर्ता अब इन चेन्स को लंबा और अधिक मजबूत बनाने पर काम कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि अंततः वे उस स्तर तक पहुँच सकेंगे जहाँ टोपोलॉजिकल सुरक्षा प्रभावी हो जाए और क्यूबिट स्वाभाविक रूप से स्थिर हो जाएं।

जैसे-जैसे यह क्षेत्र परिपक्व होता है, ध्यान इन उपकरणों के काम करने को सिद्ध करने से हटकर उन्हें विश्वसनीय और स्केलेबल बनाने पर केंद्रित हो रहा है। हाइब्रिड दृष्टिकोण एक अनूठा लाभ प्रदान करता है: यह सुपरकंडक्टिंग सर्किट की परिपक्व नियंत्रण तकनीकों को सेमीकंडक्टर तकनीक के छोटे आकार और ट्यूनेबिलिटी के साथ जोड़ता है। यह अभिसरण (convergence) कॉम्पैक्ट, गेट-ट्यूनेबल उपकरणों के निर्माण की अनुमति देता है जिन्हें बड़े प्रोसेसर में एकीकृत किया जा सकता है। समीक्षा सुझाव देती है कि निकट भविष्य में, ये हाइब्रिड क्यूबिट एक क्वांटम कंप्यूटर में विशिष्ट घटकों के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो अत्यधिक कुशल कपलर या संरक्षित मेमोरी यूनिट के रूप में कार्य करेंगे, जबकि अन्य प्रकार के क्यूबिट गणना का भारी काम संभालेंगे।

अंततः, यह कार्य क्वांटम तकनीक के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है। दो अलग-अलग भौतिक प्लेटफार्मों के बीच की खाई को पाटकर, वैज्ञानिक इस बात के नए अवसर खोल रहे हैं कि क्वांटम सूचना को कैसे संग्रहीत और संसाधित किया जा सकता है। मजोराना-आधारित क्यूबिट्स का सफल नियंत्रण, भले ही वे अपने प्रारंभिक और अपूर्ण रूप में हों, यह सुझाव देता है कि एक फॉल्ट-टोलरेंट (दोष-सहिष्णु) क्वांटम कंप्यूटर बनाने का सपना सिद्धांत के क्षेत्र से इंजीनियरिंग के क्षेत्र में जा रहा है। आगे की राह में सामग्रियों और शोर से संबंधित कठिन समस्याओं को हल करना आवश्यक है, लेकिन नींव रखी जा चुकी है, और पहले कदम उल्लेखनीय स्पष्टता के साथ उठाए गए हैं।