Real-time detection of correlated quasiparticle tunneling events in a multi-qubit superconducting device
यह शोध पत्र दो सह-निवासात्मक (co-housed) सुपरकंडक्टिंग ट्रांसमोन में क्वैसीपार्टिकल टनलिंग के लिए एक वास्तविक समय (real-time) पहचान विधि प्रस्तुत करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि व्यक्तिगत घटनाएं असंबंधित होती हैं, दुर्लभ बर्स्ट एपिसोड लगभग मिनट में एक बार होते हैं और दोनों उपकरणों में अत्यधिक सहसंबद्ध त्रुटियों को प्रेरित करते हैं।
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कल्पना कीजिए कि एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर एक उच्च-दांव वाले, अत्यंत शांत पुस्तकालय की तरह है जहाँ नाजुक किताबें (क्वांटम बिट्स, या "qubits") रखी गई हैं। इन किताबों को सुरक्षित रखने के लिए, कमरे का पूरी तरह से स्थिर रहना आवश्यक है। हालाँकि, अदृश्य "भूत" जिन्हें क्वासिपार्टिकल्स (quasiparticles) कहा जाता है, कभी-कभी चुपके से अंदर आते हैं, किताबों को गिरा देते हैं और त्रुटियाँ (errors) पैदा करते हैं।
यह शोध पत्र एक सुरक्षा गार्डों की टीम की तरह है जिन्होंने इन भूतों को वास्तविक समय (real-time) में पकड़ने के लिए एक नया, अति-संवेदनशील मोशन डिटेक्टर बनाया है। उन्होंने क्या पाया, इसे सरल भाषा में यहाँ समझाया गया है:
सेटअप: दो संवेदनशील कान
शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया जिसमें दो "कान" (जिन्हें ट्रांसमोन क्वबिट्स कहा जाता है) एक छोटे चिप पर अगल-बगल बैठे हैं, जो एक सामान्य गलियारे (वेवगाइड) से जुड़े हुए हैं।
- ये कैसे काम करते हैं: ये कान एक विशिष्ट गूँज (hum) को सुनने के लिए ट्यून किए गए हैं। जब कोई भूत (क्वासिपार्टिकल) उस द्वीप (island) पर टनल करता है जहाँ कान स्थित है, तो वह द्वीप के विद्युत आवेश (electrical charge) को बदल देता है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे किसी का फर्श के तख्ते पर कदम रखना; इससे गूँज की पिच तुरंत बदल जाती है।
- लक्ष्य: इस पिच परिवर्तन को सुनकर, टीम यह पता लगा सकती है कि ठीक कब एक भूत प्रकट होता है और कब गायब होता है।
खोज: "शांत" बनाम "तूफान"
घंटों तक इन दो कानों को सुनने के बाद, उन्होंने गतिविधि के दो बहुत अलग पैटर्न देखे:
- पृष्ठभूमि का शोर (The Quiet): अधिकांश समय, भूत बेतरतीब ढंग से और स्वतंत्र रूप से प्रकट होते हैं। यह ऐसा है जैसे जंगल में कहीं एक पत्ता गिर रहा हो और कहीं एक टहनी टूट रही हो, जिसके बीच कोई संबंध न हो। ये घटनाएँ असंबद्ध (uncorrelated) हैं और एक धीमी, स्थिर गति से होती हैं (लगभग हर कुछ सेकंड में एक बार)।
- तूफान (The Storms): अचानक, लगभग हर एक मिनट में, गतिविधि विस्फोट की तरह बढ़ जाती है। भूत के प्रकट होने की दर सामान्य से 1,000 गुना अधिक हो जाती है।
- "तूफान" कितनी देर तक रहता है: ये विस्फोट अल्पकालिक होते हैं, जो लगभग 7 मिलीसेकंड (एक पलक झपकने का समय इससे बहुत अधिक होता है) तक चलते हैं।
- "तूफान" साझा होता है: महत्वपूर्ण बात यह है कि जब कोई तूफान आता है, तो दोनों कान ठीक एक ही समय में इसे सुनते हैं। यह साबित करता है कि ये विस्फोट यादृच्छिक दुर्घटनाएँ नहीं हैं; ये एक एकल घटना के कारण हैं जो पूरे चिप को एक साथ प्रभावित करती है।
तूफ़ानों के दो प्रकार
शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि इन "तूफानों" के दो प्रकार हैं, और वे अलग तरह से व्यवहार करते हैं:
- प्रकार A: शांत तूफान (The Silent Storm - सबसे आम)
इन विस्फोटों के कारण भूत गतिविधि में भारी उछाल आता है, लेकिन वे कोई अन्य निशान नहीं छोड़ते। यह ऐसा है जैसे हवा का एक अचानक झोंका पेड़ों को हिला दे, लेकिन हवा से तापमान या दबाव में कोई बदलाव नहीं आता। शोधकर्ताओं का मानना है कि ये चिप के पदार्थ के माध्यम से यात्रा करने वाले वाइब्रेशन (फोनोन/phonons) के कारण हो सकते हैं। - प्रकार B: शोर वाला तूफान (The Loud Storm - दुर्लभ)
लगभग एक घंटे में, एक ऐसा विस्फोट होता है जो अपने साथ एक दूसरा प्रभाव भी लाता है: यह अचानक चिप के "विद्युत परिदृश्य" (electrical landscape) को बदल देता है। कल्पना कीजिए कि फर्श के तख्ते केवल चरमरा ही नहीं रहे हैं, बल्कि पूरा फर्श थोड़ा झुक गया है। यह सुझाव देता है कि एक उच्च-ऊर्जा कण (जैसे कॉस्मिक रेडिएशन) चिप से टकराया है, जिससे भूत भी बने और विद्युत आवेश भी बदल गया।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने समस्या को अभी तक हल कर दिया है, लेकिन इसने एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान किया है।
- समस्या: क्वांटम कंप्यूटरों को त्रुटियों के यादृच्छिक और अलग-थलग होने की आवश्यकता होती है ताकि उन्हें सुधारा जा सके। यदि त्रुटियाँ पूरे कंप्यूटर में एक साथ "तूफानों" के रूप में होती हैं, तो यह सुधार प्रणालियों को तोड़ देती है।
- समाधान: यह सिद्ध करके कि वे इन तूफानों को वास्तविक समय में पकड़ सकते हैं और "शांत" एवं "शोर वाले" प्रकारों के बीच अंतर कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने समस्या का एक मानचित्र तैयार कर दिया है। यह इंजीनियरों को बेहतर ढाल (shields) या सामग्री डिजाइन करने की अनुमति देता है ताकि वे इन विशिष्ट प्रकार के तूफानों को रोकने के लिए काम कर सकें, इससे पहले कि वे क्वांटम कंप्यूटर की गणनाओं को खराब कर दें।
संक्षेप में: टीम ने एक सुपर-सेंसिटिव माइक्रोफोन बनाया है जिसने दो क्वांटम उपकरणों को अदृश्य भूतों को सुनते हुए पकड़ा है। उन्होंने पाया कि जबकि भूत आमतौर पर अकेले आते हैं, वे कभी-कभी सिंक्रोनाइज़्ड, 1,000-गुना उछाल के साथ आते हैं जो पूरे सिस्टम को हिला देते हैं, और अब वे वाइब्रेशन-प्रेरित उछाल और रेडिएशन-प्रेरित उछाल के बीच अंतर कर सकते हैं।
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