Teleportation transition of surface codes on a superconducting quantum processor
एक 125-क्विबिट वाले सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने 7 तक की दूरी वाले टोपोलॉजिकल रोटेटेड सरफेस कोड्स के सुदृढ़ टेलीपोर्टेशन का प्रदर्शन किया और दिखाया कि कोहेरेंट क्विबिट रोटेशन टोपोलॉजिकल फेज ड्युअलिटी को बहाल करने के लिए एंटैंगलिंग थ्रेशोल्ड को बढ़ा सकते हैं, जो वितरित दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटेशन (डिस्ट्रीब्यूटेड फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटेशन) की दिशा में मार्ग को अग्रसर करता है।
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कल्पना कीजिए कि आपके पास कागज का एक टुकड़ा है जिस पर एक बहुत ही नाजुक, कीमती संदेश लिखा है। आप इसे कमरे के दूसरे छोर पर बैठे अपने दोस्त को भेजना चाहते हैं, लेकिन कमरा हवा, धूल और चीजों से टकराने वाले लोगों से भरा हुआ है। यदि आप बस कागज को थमा देते हैं, तो इसके फटने या खो जाने की संभावना अधिक है।
इस समस्या को हल करने के लिए, आप कागज नहीं भेजते। इसके बजाय, आप संदेश को एक अति-मजबूत, स्वयं-मरम्मत करने वाले बुलबुले (यह "सरफेस कोड" है) में लपेट देते हैं। यह बुलबुला कई छोटे, आपस में जुड़े हुए धागों (क्यूबिट्स) से बना है। यदि एक धागा टूट जाता है, तो अन्य धागे आकार को बनाए रखते हैं और संदेश अंदर सुरक्षित रहता है।
अब, कल्पना कीजिए कि आप इस पूरे बुलबुले को अपने दोस्त को भेजना चाहते हैं, लेकिन आपके पास एक आदर्श, जादुई टेलीपोर्टेशन बीम नहीं है। आपके पास केवल एक "शोर वाला" (noisy) कनेक्शन है—एक डगमगाता हुआ पुल जिससे चीजें कभी-कभी गिर सकती हैं।
यह लेख इस बारे में है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक सुपरकंप्यूटर पर दो समूहों के क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) के बीच इन जादुாகिक बुलबुलों को टेलीपोर्ट करने के लिए एक डगमगाता हुआ पुल सफलतापूर्वक बनाया। यहाँ उनकी कहानी सरल रूप में दी गई है:
1. सेटअप: एलिस, बॉब और डगमगाता हुआ पुल
लोगों के दो समूहों के बारे में सोचें: एलिस (जिसके पास संदेश है) और बॉब (जिसे संदेश प्राप्त करना है)।
- एलिस की ओर: उसके पास 49 छोटे धागों से बना एक विशाल, जटिल बुलबुला (एक "लॉजिकल क्यूबिट") है।
- बॉब की ओर: उसके पास खाली, असंबद्ध धागों का एक ढेर है।
- लक्ष्य: संदेश को अंदर तोड़े बिना पूरे बुलबुले को एलिस से बॉब तक ले जाना।
आमतौर पर, किसी चीज़ को पूरी तरह से टेलीपोर्ट करने के लिए, आपको एलिस और बॉब के बीच एक "पूरी तरह से एंटैंगल्ड" कनेक्शन (जैसे एक बहुत मजबूत, अदृश्य रस्सी) की आवश्यकता होती है। लेकिन वास्तविक दुनिया में, वह रस्सी अक्सर घिसी हुई या कमजोर होती है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे: रस्सी कितनी कमजोर हो सकती है इससे पहले कि टेलीपोर्टेशन विफल हो जाए?
2. प्रयोग: "डगमगाहट" को ट्यून करना
टीम ने 125-क्यूबिट सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर (एक बहुत उन्नत क्वांटम कंप्यूटर) का उपयोग किया। उन्होंने केवल एक बार टेलीपोर्ट करने की कोशिश नहीं की; उन्होंने "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) का खेल खेला।
- उन्होंने एक डायल (एक पैरामीटर जिसे कहा जाता है) बनाया जो नियंत्रित करता था कि कनेक्शन कितना "डगमगाता" (shaky) है।
- डायल 0 पर: कनेक्शन एकदम सही है। बुलबुला त्रुटिहीन रूप से टेलीपोर्ट होता है।
- डायल ऊपर की ओर घुमाने पर: कनेक्शन अधिक शोर वाला हो जाता है। बुलबुला डगमगाना शुरू कर देता है।
- डायल पूरा ऊपर घुमाने पर: कनेक्शन टूट जाता है। बुलबुला बिखर जाता है और संदेश खो जाता है।
उन्हें एक टिपिंग पॉइंट (सीमा बिंदु) मिला। जब तक "डगमगाहट" इस बिंदु से नीचे थी, बुलबुला यात्रा में जीवित रहा। यदि उन्होंने डायल को इस बिंदु से आगे घुमाया, तो टेलीपोर्टेशन विफल हो गया। यह उस सटीक गति सीमा को खोजने जैसा है जहाँ एक कार बिना दुर्घटनाग्रस्त हुए ऊबड़-खाबड़ सड़क पर चल सकती है।
3. जादू का कमाल: "इलेक्ट्रिक-मैग्नेटिक" नृत्य
यहीं पर यह बहुत चतुर है। वैज्ञानिकों ने पाया कि "डगमगाहट" केवल एक चीज़ नहीं थी; यह अलग-अलग दिशाओं से आ सकती थी (जैसे कार को सामने से बनाम बगल से लगने वाली हवा)।
- समस्या: जब शोर एक दिशा (मान लीजिए "X-एक्सिस") से आता था, तो बुलबुला बहुत नाजुक था। टिपिंग पॉइंट कम था।
- समाधान: उन्होंने शोर को घुमाने (rotate करने) का निर्णय लिया! एक विशेष "जादुई" घुमाव (एक कोहेरेंट रोटेशन) लागू करके, उन्होंने शोर की प्रकृति को बदल दिया।
- परिणाम: उन्होंने शोर को एक तिरछी दिशा ( "X+Z एक्सिस") में घुमाया। अचानक, बुलबुला बहुत अधिक मजबूत हो गया। टिपिंग पॉइंट बहुत ऊपर चला गया!
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप फर्श पर एक भारी बॉक्स को धकेलने की कोशिश कर रहे हैं।
- यदि आप इसे दीवार के खिलाफ सीधा धकेलते हैं, तो यह आसानी से अटक जाता है (कम थ्रेशोल्ड)।
- लेकिन यदि आप इसे 45-डिग्री के कोण पर धकेलते हैं, तो घर्षण बदल जाता है, और आप इसे रुकने से पहले बहुत ज़ोर से धकेल सकते हैं (उच्च थ्रेशोल्ड)।
वैज्ञानिकों ने "इलेक्ट्रिक-मैग्नेटिक डुअलिटी" नामक भौतिकी के सिद्धांत का उपयोग इस 45-डिग्री के कोण को खोजने के लिए किया। यह एक भूलभुलैया के माध्यम से एक गुप्त रास्ता खोजने जैसा है जो सभी जालों से बचता है।
4. यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह केवल एक मजेदार ट्रिक नहीं है; यह डिस्ट्रीब्यूटेड क्वांटम कंप्यूटिंग की ओर एक बड़ा कदम है।
- भविष्य: एक ऐसे भविष्य की कल्पना करें जहाँ हमारे पास दुनिया भर में (या अलग-अलग इमारतों में) कई छोटे क्वांटम कंप्यूटर बिखरे हुए हों। एक सुपर-पावरफुल क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, हमें उन सभी को आपस में जोड़ने की आवश्यकता है।
- चुनौती: उन्हें जोड़ने के लिए क्वांटम सूचना (टेलीपोर्टेशन) को लंबी दूरी तक भेजने की आवश्यकता होती है, जिससे शोर और त्रुटियां उत्पन्न होती हैं।
- उपलब्धि: इस प्रयोग ने सिद्ध किया कि भले ही कनेक्शन अपूर्ण हों, फिर भी हम जटिल, त्रुटि-सुधारित (error-corrected) जानकारी को टेलीपोर्ट कर सकते हैं यदि हम जानते हैं कि कनेक्शन को कैसे "ट्यून" करना है और सही "जादुई" रोटेशन का उपयोग कैसे करना है।
सारांश
वैज्ञानिकों ने दो क्वांटम द्वीपों के बीच एक पुल बनाया। उन्होंने दिखाया कि:
- आप एक जटिल, संरक्षित क्वांटम अवस्था को टेलीपोर्ट कर सकते हैं, भले ही पुल थोड़ा डगमगाता हुआ हो।
- एक विशिष्ट सीमा है कि वह कितना डगमगा सकता है इससे पहले कि वह टूट जाए।
- महत्वपूर्ण रूप से, डगमगाहट के प्रकार को बदलकर (एक "जादुई" रोटेशन का उपयोग करके), आप पुल को बहुत मजबूत बना सकते हैं, जिससे टेलीपोर्टेशन कठिन परिस्थितियों में भी जीवित रह सकता है।
यह कार्य एक "क्वांटम इंटरनेट" बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जहाँ हम विशाल दूरियों तक क्वांटम सूचना साझा कर सकते हैं और संसाधित कर सकते हैं बिना अंदर मौजूद कीमती डेटा को खोए।
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