Continuous-time noise mitigation in analogue quantum simulation

ब्रह्मांड को समझने की खोज में, वैज्ञानिक अक्सर क्वांटम मैकेनिक्स के विचित्र और शक्तिशाली नियमों की ओर मुड़ते हैं, जो परमाणुओं और उप-परमाणु कणों के व्यवहार को नियंत्रित करते हैं। जबकि ये नियम यह समझाने के लिए आवश्यक हैं कि पदार्थ कैसे एक साथ बंधा रहता है या रासायनिक प्रतिक्रियाएं कैसे होती हैं, वे हमारे रोजमर्रा के कंप्यूटरों पर सिम्युलेट करने के लिए अत्यंत कठिन हैं। जैसे-जैसे सिस्टम बड़े और अधिक जटिल होते जाते हैं, उनके व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक गणनाएं सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटरों के लिए भी असंभव हो जाती हैं। इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं ने एनालॉग क्वांटम सिम्युलेटर विकसित किए हैं। ये विशेष मशीनें हैं जो वास्तविक क्वांटम कणों, जैसे कि ट्रैप्ड आयन या सुपरकंडक्टिंग सर्किट से बनी होती हैं, जिन्हें अन्य क्वांटम प्रणालियों के व्यवहार की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक पारंपरिक कंप्यूटर की तरह उत्तर की गणना चरण-दर-चरण करने के बजाय, ये सिम्युलेटर कणों को स्वाभाविक रूप से विकसित होने देते हैं, जिससे जटिल सामग्रियों और रासायनिक प्रक्रियाओं की गतिशीलता की सीधी झलक मिलती है। हालाँकि, ये नाजुक क्वांटम प्रणालियाँ अविश्वसनीय रूप से भंगुर होती हैं। वातावरण के साथ मामूली संपर्क—गर्मी, भटकते विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र, या यहाँ तक कि निर्वात स्वयं भी—एक शोर (नॉइज़) पैदा करता है जो सिमुलेशन को दूषित कर देता है, जिससे परिणाम वास्तविकता से भटक जाते हैं। वर्षों तक, प्रचलित विचार यह था कि इन त्रुटियों को ठीक करने के लिए, हमें समय के निरंतर प्रवाह को छोटे, असतत चरणों में तोड़ना होगा, और प्रत्येक अंतराल पर सुधार लागू करना होगा, ठीक वैसे ही जैसे एक डिजिटल कंप्यूटर करता है।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब एक अलग मार्ग प्रस्तावित किया है, जो क्वांटम दुनिया की निरंतर प्रकृति का सम्मान करता है। अपने कार्य में, वे बिना घड़ी रोके या प्रक्रिया को डिजिटल चरणों में तोड़े, एनालॉग क्वांटम सिमुलेशन में शोर को रद्द करने का एक नया तरीका पेश करते हैं। उनकी खोज का मूल एक प्रोटोकॉल है जो पूरी तरह से रियल-टाइम में काम करता है, जिसमें पर्यावरणीय हस्तक्षेप के प्रभावों को बेअसर करने के लिए अतिरिक्त कणों, जिन्हें 'एन्सेरी क्वबिट्स' (ancillary qubits) कहा जाता है, का उपयोग किया जाता है। इन अतिरिक्त कणों को मुख्य सिस्टम के साथ सावधानीपूर्वक जोड़ने और उन्हें विशिष्ट परिस्थितियों में एक साथ विकसित होने देने के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने शोर को स्वयं को रद्द करने का एक तरीका खोज निकाला। इसका परिणाम एक ऐसा सिमुलेशन है जो सिस्टम के पूर्ण, शोर-मुक्त व्यवहार को पुनः प्राप्त करता है, भले ही प्रयोग एक शोर वाले वातावरण में चल रहा हो। यह दृष्टिकोण इसलिए अलग है क्योंकि यह उन जटिल, त्रुटि-प्रवण डिजिटल गेट्स के अनुक्रमों पर निर्भर नहीं करता है जिनका अन्य तरीके उपयोग करते हैं, और न ही इसके लिए सिमुलेशन को रोकने या सिस्टम को मापने और रीसेट करने की आवश्यकता होती है। इसके बजाय, यह एक निरंतर, प्रवाहित होने वाली अंतःक्रिया का उपयोग करता है जो क्वांटम गतिशीलता की प्राकृतिक लय को बनाए रखता है।

शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह विधि मुख्य सिस्टम और अतिरिक्त कणों के बीच एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया पेश करके काम करती है। कल्पना कीजिए कि सिस्टम और अतिरिक्त कण एक ही संगीत पर नाचने वाले नर्तकों के दो समूह हैं। एक शोर वाले वातावरण में, संगीत विकृत हो जाता है, जिससे नर्तक लड़खड़ाने लगते हैं। शोधकर्ताओं का प्रोटोकॉल एक दूसरा, प्रति-प्रभाव डालने वाला प्रभाव जोड़ता है जो अतिरिक्त नर्तकों को इस तरह से निर्देशित करता है कि मुख्य समूह के साथ उनकी संयुक्त गति प्रभावी रूप से उस लड़खड़ाहट को मिटा देती है। गणितीय रूप से, इसमें एक संयुक्त अवस्था बनाना शामिल है जहाँ पर्यावरण द्वारा सिस्टम में उत्पन्न की गई त्रुटियों को सिस्टम और अतिरिक्त कणों के बीच एक सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किए गए 'डिसिपेशन' (dissipation), या ऊर्जा की हानि, द्वारा संतुलित किया जाता है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि जबकि शोर सिस्टम को प्रभावित करता है, यह अतिरिक्त कणों को भी एक अनुमानित तरीके से प्रभावित करता है। प्रयोग के अंत में दोनों (सिस्टम और अतिरिक्त कण) की संयुक्त अवस्था को मापकर, और फिर डेटा पर एक सरल गणितीय समायोजन लागू करके, शोधकर्ता सटीक परिणाम प्राप्त कर सकते हैं जो उन्होंने तब देखा होता यदि शोर कभी मौजूद ही न होता। यह प्रक्रिया पूरी तरह से एनालॉग है, जिसका अर्थ है कि यह समय के साथ निरंतर होती है, और यह अतिरिक्त कणों की अपनी कमियों को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

अपने विचार की प्रभावशीलता को सिद्ध करने के लिए, टीम ने तीन अलग-अलग और चुनौतीपूर्ण परिदृश्यों पर सिमुलेशन चलाया। सबसे पहले, उन्होंने एक द्वि-आयामी चुंबकीय प्रणाली का मॉडल बनाया जिसे हाइजेनबर्ग मॉडल (Heisenberg model) कहा जाता है, जिसका उपयोग यह अध्ययन करने के लिए किया जाता है कि सामग्रियां चुंबकीय कैसे बनती हैं। इस सिमुलेशन में, सिस्टम को 'डीफेजिंग नॉइज़' (dephasing noise), जो क्वांटम जानकारी को बिखेर देता है, और 'रिलैक्सेशन नॉइज़' (relaxation noise), जो ऊर्जा की हानि का कारण बनता है, दोनों के संपर्क में लाया गया। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका तरीका सिस्टम के वास्तविक चुंबकीय गुणों को पुनः प्राप्त कर सकता है, जबकि बिना सुधारा गया शोर वाला सिमुलेशन वास्तविकता से काफी दूर हट जाता है। दूसरा, उन्होंने प्रोटोकॉल को एक 'क्वांटम क्वेंच' (quantum quench) पर लागू किया, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ एक सिस्टम को अचानक एक अवस्था से दूसरी अवस्था में झकझोर दिया जाता है, जो अक्सर उसके व्यवहार में महत्वपूर्ण संक्रमणों को प्रकट करता है। इस मामले में, शोर आमतौर पर उन तीक्ष्ण शिखरों (peaks) को धुंधला कर देता है जो इन संक्रमणों का संकेत देते हैं, जिससे वे अदृश्य हो जाते हैं। नए तरीके ने इन शिखरों को सफलतापूर्वक बहाल कर दिया, जिससे अंतर्निहित भौतिकी को स्पष्ट रूप से देखा जा सका। अंत में, उन्होंने एक आवधिक रूप से संचालित स्पिन चेन (periodically driven spin chain) पर प्रोटोकॉल का परीक्षण किया, जो एक ऐसा सिस्टम है जिसे लगातार बाहरी बल द्वारा धकेला जाता है। यहाँ, शोर सिस्टम के विशिष्ट ऊर्जा पैटर्न को धुंधला कर देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनकी तकनीक इन पैटर्न को उनकी मूल स्पष्टता के साथ फिर से तेज कर सकती है, जिससे सिस्टम के ऊर्जा स्तरों की छिपी हुई संरचना प्रकट होती है।

इस कार्य का एक महत्वपूर्ण पहलू इसकी व्यावहारिकता है। शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि एक वास्तविक प्रयोगशाला में, सुधार के लिए उपयोग किए जाने वाले अतिरिक्त कण भी शोर के अधीन होंगे। उन्होंने प्रदर्शित किया कि उनका प्रोटोकॉल इस वास्तविकता के प्रति लचीला है। भले ही अतिरिक्त कण अपूर्ण हों, फिर भी यह विधि काम करती है, बशर्ते कि अंतिम डेटा विश्लेषण उन विशिष्ट प्रकार के शोर को ध्यान में रखे जो उन्हें प्रभावित कर रहे हैं। यह केवल अंतिम गणना को समायोजित करके प्राप्त किया जाता है ताकि अतिरिक्त क्षय (decay) की भरपाई की जा सके, जो एक ऐसा कदम है जिसके लिए प्रयोग के भौतिक सेटअप को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अलावा, यह विधि सिम्युलेट किए जा रहे सिस्टम के विशिष्ट विवरणों पर निर्भर नहीं करती है। चाहे सिस्टम स्पिन की एक साधारण श्रृंखला हो या एक जटिल चुंबकीय जाली, प्रोटोकॉल समान रहता है, जो इसे एनालॉग क्वांटम सिमुलेशन के लिए एक सार्वभौमिक उपकरण बनाता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि हालांकि इस पद्धति के लिए सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव से निपटने के लिए पर्याप्त डेटा एकत्र करने हेतु अधिक प्रयोगात्मक रन की आवश्यकता होती है, लेकिन यह लागत सटीकता के लाभ के लिए एक प्रबंधनीय समझौता है।

क्वांटम विज्ञान के भविष्य के लिए इस कार्य के निहितार्थ महत्वपूर्ण हैं। वर्षों से, यह क्षेत्र डिजिटल दृष्टिकोणों, जो सटीकता प्रदान करते हैं लेकिन विस्तार (scalability) के लिए संघर्ष करते हैं, और एनालॉग दृष्टिकोणों, जो स्वाभाविक और स्केलेबल हैं लेकिन शोर के प्रति संवेदनशील हैं, के बीच विभाजित रहा है। यह नया प्रोटोकॉल इस विभाजन को पाटता है, जो एनालॉग सिस्टम में उनकी निरंतर-समय प्रकृति से समझौता किए बिना उच्च-सटीकता वाले परिणाम प्राप्त करने का एक तरीका प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि पूर्णतः फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटरों के आगमन से पहले ही, निकट भविष्य में उच्च-परिशुद्धता क्वांटम सिमुलेशन संभव है। वास्तविक समय में शोर से सिग्नल को साफ करने का एक तरीका प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने जटिल क्वांटम गतिशीलता की खोज के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है। इससे सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान और पदार्थ के मौलिक व्यवहार के बारे में गहरी अंतर्दृष्टि मिल सकती है, जो कि पहले से कहीं अधिक मजबूत और विश्वसनीय सिम्युलेटरों के माध्यम से प्राप्त की जा सकती है। यह कार्य क्वांटम मैकेनिक्स के प्राकृतिक प्रवाह के साथ काम करने के बजाय, कठोर डिजिटल बाधाओं के साथ लड़ने के बजाय, प्रयोगों को डिजाइन करने की शक्ति का प्रमाण है।