Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

क्वांटम कंप्यूटर उन समस्याओं को हल करने का वादा करते हैं जो आज की मशीनों के लिए असंभव हैं, जैसे कि नई दवाओं को डिजाइन करना या जटिल सामग्रियों का अनुकरण करना। हालाँकि, ये मशीनें अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं; गर्मी या इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों से होने वाला मामूली सा व्यवधान भी उनके पास मौजूद जानकारी को अस्त-व्यस्त कर सकता है। एक उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को 'क्वांटम एरर करेक्शन' (त्रुटि सुधार) नामक विधि का उपयोग करके इस नाजुक डेटा की रक्षा करनी चाहिए। यह दृष्टिकोण एक सुरक्षा जाल (सेफ्टी नेट) की तरह काम करता है, जो सूचना के एक एकल टुकड़े को कई भौतिक कणों में फैला देता है ताकि यदि एक विफल हो जाए, तो अन्य कण यह प्रकट कर सकें कि क्या हुआ और उसे ठीक कर सकें। इस सुरक्षा जाल के लिए सबसे लोकप्रिय ब्लूप्रिंट 'सरफेस कोड' है, जो इन कणों को एक सपाट ग्रिड में व्यवस्थित करता है। जबकि शोधकर्ताओं ने इस ग्रिड से त्रुटियों को पढ़ने और उन्हें ठीक करने का तरीका सीख लिया है, एक जिद्दी समस्या बनी हुई है: सूचना की संरक्षित, "लॉजिकल" अवस्थाओं को, निर्माण प्रक्रिया के दौरान ही नई त्रुटियां पैदा किए बिना, शुरू में कैसे बनाया जाए।

वर्षों से, इन शुरुआती अवस्थाओं को तैयार करने का मानक तरीका दो-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग करता था। पहले, वैज्ञानिक सभी भौतिक कणों को एक सरल, ज्ञात अवस्था पर सेट करते थे। फिर, वे ग्रिड की स्थिरता की जांच करने के लिए माप (मेजरमेंट) की एक श्रृंखला करते थे, और परिणामों का उपयोग सिस्टम को समायोजित करने के लिए करते थे। यह विधि काम तो करती है, लेकिन इसमें एक छिपा हुआ दोष है। मापने की क्रिया धीमी है और अपनी स्वयं की त्रुटियों के प्रति संवेदनशील है, और ग्रिड की जांच करने की प्रक्रिया कभी-कभी गलतियों को इस तरह फैला सकती है जिसे कोड पकड़ नहीं पाता। इसके अलावा, कुछ उन्नत क्वांटम मशीनों में, जैसे कि ट्रैप्ड आयन या न्यूट्रल एटम का उपयोग करने वाले सिस्टम में, मापने की क्रिया केवल एक 'गेट' (एक क्वांटम स्विच) लगाने की तुलना में बहुत अधिक धीमी और शोर भरी होती है, जिससे मानक विधि एक बाधा बन जाती है। शोधकर्ता इन अवस्थाओं को केवल तेज़, स्थानीय ऑपरेशनों का उपयोग करके तैयार करने का तरीका खोजने के लिए लंबे समय से प्रयासरत रहे हैं, लेकिन इन प्रयासों में से पिछले प्रयास उस उच्च स्तर की सुरक्षा को बनाए रखने में विफल रहे जो यह कोड प्रदान करता है।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने केवल तेज़, स्थानीय ऑपरेशनों का उपयोग करके इन संरक्षित अवस्थाओं को तैयार करने की एक विधि विकसित की है, जिसमें निर्माण चरण के दौरान मापन (मेजरमेंट) पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं है। उन्होंने ऑपरेशनों के एक विशिष्ट क्रम की खोज की है जो सतह कोड (सरफेस कोड) के लिए आवश्यक जटिल, एंटैंगल्ड अवस्था को ज़मीनी स्तर से निर्मित करता है। उनकी सफलता की कुंजी कणों के बीच के कनेक्शन को संभालने के तरीके में निहित है। हर कण को एक साथ हर दूसरे कण से जोड़ने की कोशिश करने के बजाय, जो कई उपकरणों में भौतिक रूप से असंभव है, वे एक चरण-दर-चरण दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं जो ग्रिड के भौतिक लेआउट का सम्मान करता है। वे एक सरल अवस्था से शुरुआत करते हैं और धीरे-धीरे कनेक्शनों का विस्तार करते हैं, चरणों को सावधानीपूर्वक क्रमबद्ध करते हैं ताकि प्रक्रिया के दौरान होने वाली कोई भी छोटी त्रुटि छोटी बनी रहे और अनियंत्रित रूप से न फैले। यह सुनिश्चित करता है कि अंतिम अवस्था उतनी ही अच्छी तरह से संरक्षित है जितनी कि वह धीमी, माप-आधारित विधि द्वारा बनाई गई होती।

शोधकर्ताओं ने अपने विचार का परीक्षण कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके किया, जिसने यथार्थवादी शोर की स्थितियों के तहत क्वांटम गेट्स के व्यवहार को मॉडल किया। उन्होंने विभिन्न आकारों के सरफेस कोड के लिए अपने नए तरीके की मानक माप-आधारित दृष्टिकोण के विरुद्ध तुलना की। परिणामों ने दिखाया कि कुछ प्रकार के क्वांटम हार्डवेयर के लिए, विशेष रूप से उन मशीनों के लिए जहाँ माप धीमा और शोर भरा होता है, उनका नया तरीका काफी बेहतर है। कुछ मामलों में, नए दृष्टिकोण ने मानक विधि की तुलना में लॉजिकल एरर (तार्किक त्रुटि) की दर को दस गुना तक कम कर दिया। यह सुधार दो मुख्य कारकों से आता है: नया तरीका कुल मिलाकर कम ऑपरेशनों का उपयोग करता है, जिसका अर्थ है कि गलत होने के अवसर कम हैं, और यह उन त्रुटियों से बचता है जो आमतौर पर डेटा को माप उपकरणों से प्राप्त करने या भेजने के दौरान उत्पन्न होती हैं।

टीम ने अपने तरीके के दो संस्करणों का भी अन्वेषण किया। एक संस्करण अतिरिक्त सहायक कणों, जिन्हें 'एनसिलास' कहा जाता है, का उपयोग मुख्य डेटा कणों के बीच कनेक्शन बनाने के लिए करता है। दूसरा संस्करण, जिसने उनके सिमुलेशन में और भी बेहतर प्रदर्शन किया, डेटा कणों को सीधे एक-दूसरे से जोड़ता है, बिना इन सहायकों के। यह सीधा कनेक्शन उन मशीनों में संभव है जहाँ कणों को हिलाया जा सकता है या उनके कनेक्शन को चलते-फिरते पुनर्गठित किया जा सकता है, जैसे कि न्यूट्रल एटम एरे या ट्रैप्ड आयन सिस्टम में। सहायक कणों की आवश्यकता को समाप्त करके, शोधकर्ताओं ने संभावित त्रुटियों की एक पूरी श्रेणी को खत्म कर दिया, जिससे अधिक स्वच्छ और विश्वसनीय शुरुआती अवस्थाएँ प्राप्त हुईं।

यह कार्य क्वांटम कंप्यूटिंग के भविष्य के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उन हार्डवेयर प्लेटफॉर्म के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जो मापन (मेजरमेंट) के साथ संघर्ष करते हैं। हालांकि नया तरीका चरणों की संख्या के मामले में माप-आधारित दृष्टिकोण की तुलना में थोड़ा अधिक समय लेता है, लेकिन यह कई मशीनों के लिए वास्तविक समय में तेज़ होने की संभावना है क्योंकि इसके चरणों का निष्पादन माप की धीमी, शोर भरी प्रक्रियाओं की तुलना में बहुत तेज़ है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह एक महत्वपूर्ण सुरक्षा समस्या को हल करता है: यह गारंटी देता है कि त्रुटि-सुराक्षित कोड द्वारा दी जाने वाली सुरक्षा अवस्था के निर्माण के क्षण से ही बनी रहती है। इसका अर्थ है कि जब कंप्यूटर अपनी गणना शुरू करता है, तो वह एक ऐसी अवस्था के साथ शुरू होता है जो पहले से ही त्रुटियों के प्रति मजबूत है, न कि ऐसी अवस्था के साथ जो सुधार के दौर के होने तक असुरक्षित हो।

शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उनका तरीका हर संभव क्वांटम आर्किटेक्चर के लिए सार्वभौमिक समाधान नहीं है। उदाहरण के लिए, यह पड़ोसी कणों के बीच ऑपरेशन करने की क्षमता पर निर्भर करता है, और यह अभी तक निर्माण चरण के दौरान सभी प्रकार की त्रुटियों से बचने की समस्या को हल नहीं करता है। हालाँकि, यह प्रदर्शित करके कि एक शुद्ध रूप से परिचालन, माप-मुक्त दृष्टिकोण पारंपरिक विधि के समान स्तर की सुरक्षा प्राप्त कर सकता है, उन्होंने एक नया द्वार खोल दिया है। उनका कार्य सुझाव देता है कि अगली पीढ़ी के क्वांटम प्रोसेसर के लिए, विशेष रूप से परमाणुओं या आयनों से बने, गणना शुरू करने का सबसे विश्वसनीय तरीका मापन को पूरी तरह से छोड़ देना और बस तेज़, सटीक गेट्स के साथ अवस्था का निर्माण करना हो सकता है। यह बदलाव क्वांटम कंप्यूटरों द्वारा मापन के लिए प्रतीक्षा किए जाने वाले समय को काफी कम कर सकता है और समग्र त्रुटि दरों को कम कर सकता है, जिससे फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटिंग का सपना वास्तविकता के एक कदम और करीब आ सकता है।