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Observation of feedback-directed quantum dynamics in large-scale quantum processors

यह शोध पत्र बड़े पैमाने के IBM सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसरों पर फीडबैक-निर्देशित सर्किट आर्किटेक्चर के कार्यान्वयन को प्रदर्शित करता है, जहाँ रैंडम क्वांटम डायनेमिक्स को निर्देशित करने और नॉन-हर्मिटियन स्किन इफेक्ट से भिन्न फीडबैक-प्रेरित विषमता के मजबूत, शोर-प्रतिरोधी हस्ताक्षरों को उत्पन्न करने के लिए रियल-टाइम मिड-सर्किट मापन और सशर्त ऑपरेशन्स का उपयोग किया जाता है।

मूल लेखक: Ruizhe Shen, Ching Hua Lee

प्रकाशित 2026-04-15

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Ruizhe Shen, Ching Hua Lee

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक विशाल, अराजक डांस फ्लोर है जहाँ 100 नर्तक (ये क्वांटम कंप्यूटर के qubits हैं) नाच रहे हैं। सामान्य रूप से, यदि आप उन्हें यादृच्छिक (randomly) तरीके से नाचने के लिए कहते हैं, तो वे अंततः कमरे में समान रूप से फैल जाएंगे। यदि आप बीच में से शुरुआत करते हैं, तो वे बाएं और दाएं समान रूप से भटकेंगे, और अपनी स्थितियों को इस तरह मिला देंगे कि कोई नहीं जान पाएगा कि कौन कहाँ से शुरू हुआ था। क्वांटम सूचना आमतौर पर इसी तरह व्यवहार करती है: यह सममित (symmetric) और अस्त-व्यस्त होती है।

लेकिन इस शोध पत्र में, शोधकर्ताओं (रुइज़े शेन और चिंग हुआ ली) ने एक तरीका खोजा जिससे वे नर्तकों को केवल एक विशिष्ट दिशा में ही चलाने में सक्षम हुए, जिससे सूचना का एक "ट्रैफिक जाम" दाईं ओर बहने लगा, भले ही डांस फ्लोर पूरी तरह से सममित था।

यहाँ बताया गया है कि उन्होंने इसे सरल उपमाओं के माध्यम से कैसे किया:

1. समस्या: "अराजक डांस फ्लोर"

एक मानक क्वांटम कंप्यूटर को एक ऐसे कमरे के रूप में सोचें जहाँ लोग लगातार अपने पड़ोसियों के साथ अपनी जगह बदल रहे हैं। यदि आप बीच में लाल रंग की पेंट की एक गेंद (सूचना का प्रतिनिधित्व करती है) गिराते हैं, तो वह धीरे-धीरे बाएं और दाएं फैल जाएगी, जिससे अंततः पूरा कमरा समान रूप से रंग जाएगा। यहाँ कोई "तीर" नहीं है जो एक दिशा की ओर इशारा करता हो।

2. समाधान: "स्मार्ट रेफरी"

शोधकर्ताओं ने एक नया नियम पेश किया: मिड-सर्किट मेजरमेंट विद फीडबैक (Mid-circuit measurements with feedback)।

कल्पना करें कि एक रेफरी डांस फ्लोर पर खड़ा है जो संगीत बजने के दौरान नर्तकों की स्थिति पर नज़र रख सकता है (यह मेजरमेंट है)।

पुराना तरीका: रेफरी केवल देखता है और लिखता है कि कौन कहाँ है। इससे नृत्य में कोई बदलाव नहीं आता।
नया तरीका (नवाचार): रेफरी केवल देखता नहीं है; वह हस्तक्षेप करता है।
- यदि रेफरी किसी नर्तक को एक विशिष्ट स्थान पर देखता है, तो वह तुरंत सीटी बजाता है और उस नर्तक को अपने पड़ोसी के साथ "फ्लिप" करने या "जगह बदलने" का निर्देश देता है।
- महत्वपूर्ण बात यह है कि रेफरी को पक्षपाती (biased) होने के लिए प्रोग्राम किया गया है। वे अधिक हस्तक्षेप करने की संभावना रखते हैं यदि नर्तक कमरे के बाईं ओर है, या वे ऐसे निर्देश देते हैं जो लोगों को केवल दाईं ओर धकेलते हैं।

3. उपयोग की गई दो तरकीबें

पेपर में शोधकर्ताओं ने इस तरीके का परीक्षण किया कि रेफरी प्रवाह को पक्षपाती कैसे बनाएगा:

तरकीब A: "पोजीशन-सेंसिटिव व्हिसल" (Conditional X-gates)
कल्पना करें कि रेफरी का एक नियम है: "यदि मैं कमरे के बाईं ओर एक नर्तक को देखता हूँ, तो मैं उसे अपनी स्थिति बदलने (flip) के लिए मजबूर करूँगा।"
- क्योंकि रेफरी बाईं ओर अधिक सक्रिय है, इसलिए बाईं ओर के नर्तक बार-बार इधर-उधर होते रहते हैं और धकेले जाते हैं।
- समय के साथ, यह बाईं ओर एक "क्षति" (loss) पैदा करता है और दाईं ओर एक जमाव बनाता है। यह नाव के बाईं ओर एक लीक होती बाल्टी की तरह है; पानी (सूचना) स्वाभाविक रूप से सूखे हिस्से (दाईं ओर) की ओर बहता है।
तरकीब B: "वन-वे स्वैप" (Conditional SWAP gates)
कल्पना करें कि रेफरी का एक नियम है: "यदि मैं एक विशिष्ट अवस्था (state) में एक नर्तक को देखता हूँ, तो मैं उसे उसके दाईं ओर वाले व्यक्ति के साथ बदलने के लिए मजबूर करूँगा, लेकिन कभी भी उसके बाईं ओर वाले के साथ नहीं।"
- यह एक कन्वेयर बेल्ट की तरह है। हर बार जब रेफरी जाँच करता है, तो वह भौतिक रूप से एक व्यक्ति को एक कदम दाईं ओर ले जाता है।
- भले ही अंतर्निहित नृत्य (यादृच्छिक यूनिटरी गेट्स) अभी भी अराजक है, लेकिन दाईं ओर का यह छोटा, बार-बार होने वाला "धक्का" जुड़कर एक मजबूत धारा बना देता है जो एक दिशा में बहती है।

4. बड़ी उपलब्धि: बड़े पैमाने पर करना

आमतौर पर, जब आप क्वांटम कंप्यूटर पर जटिल चीजें करने की कोशिश करते हैं, तो मशीन "शोरपूर्ण" (noisy) हो जाती है (जैसे स्टेटिक के साथ रेडियो), और सिग्नल खो जाता है।

चुनौती: उन्होंने इसे 100 नर्तकों (qubits) के साथ आजमाया। वर्तमान तकनीक के लिए यह एक बहुत बड़ी संख्या है।
परिणाम: शोर के बावजूद, "दिशात्मक प्रवाह" (directional flow) अभी भी काम कर रहा था! सूचना अभी भी दाईं ओर जमा हो रही थी।
क्यों महत्वपूर्ण है: उन्होंने साबित किया कि आप मेजरमेंट का उपयोग केवल अंत में परिणाम पढ़ने के लिए ही नहीं, बल्कि वास्तविक समय में प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए भी कर सकते हैं। उन्होंने देखने की क्रिया को सिस्टम को नियंत्रित करने के उपकरण में बदल दिया।

5. "नॉन-हर्मिटियन स्किन इफेक्ट" की उपमा

पेपर में एक प्रसिद्ध भौतिकी अवधारणा का उल्लेख है जिसे "नॉन-हर्मिटियन स्किन इफेक्ट" कहा जाता है।

पुराना तरीका: आमतौर पर, कणों को एक तरफ इकट्ठा करने के लिए, आपको दीवारों में "वन-वे डोर" (एकतरफा दरवाजे) के साथ मशीन बनानी पड़ती है (असममित भौतिकी)।
नया तरीका: शोधकर्ताओं ने दिखाया कि आपको विशेष दीवारों की आवश्यकता नहीं है। आप बस एक स्मार्ट रेफरी रख सकते हैं जो खिलाड़ियों की जाँच करता है और उन्हें धकेलता है। "एकतरफा" प्रकृति कंट्रोल स्ट्रैटेजी से आती है, हार्डवेयर से नहीं। यह नदी को ढलान के विपरीत बहाने जैसा है, न कि परिदृश्य को बदलकर, बल्कि लोगों की एक टीम द्वारा लगातार एक दिशा में धकेलने से।

सारांश

यह शोध पत्र इसलिए एक बड़ी उपलब्धि है क्योंकि यह दिखाता है कि फीडबैक (जो आप अभी सीखते हैं उसका उपयोग यह तय करने के लिए करना कि आगे क्या करना है) एक शक्तिशाली नया उपकरण है।

पहले: क्वांटम कंप्यूटर अंधे व्यक्ति की तरह थे जो डार्ट फेंक रहा था; वे जटिल गणित कर सकते थे, लेकिन वे अराजकता को "स्टीयर" (नियंत्रित) नहीं कर सकते थे।
अब: उन्होंने कंप्यूटर को "आँखें" और "हाथ" दे दिए हैं। वे क्वांटम अवस्था को देख सकते हैं, निर्णय ले सकते हैं, और तुरंत सूचना के मार्ग को बदल सकते हैं।

उन्होंने इसे बड़े पैमाने पर (100 क्वबिट्स) सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि हम वास्तविक, शोर वाले हार्डवेयर पर "दिशात्मक" क्वांटम गतिशीलता को इंजीनियर कर सकते हैं। यह भविष्य के क्वांटम नेटवर्क और जटिल, गैर-संतुलन भौतिकी के सिमुलेशन के लिए आवश्यक "वन-वे स्ट्रीट" की तरह सूचना परिवहन करने वाले क्वांटम सिस्टम बनाने के द्वार खोलता है।

यहाँ शोध पत्र "Observation of feedback-directed quantum dynamics in large-scale quantum processors" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

क्वांटम कंप्यूटर तेजी से गैर-यूनिटरी (non-unitary) भौतिकी का अनुकरण करने में सक्षम हो रहे हैं, जो आमतौर पर ओपन सिस्टम्स, विसर्जन (dissipation), या डिकोहेरेंस (decoherence) से जुड़ी होती है। जबकि पिछले शोध मेज़रमेंट-इंड्यूस्ड फेज ट्रांजिशन (measurement-induced phase transitions) और नॉन-हर्मिटीन स्किन इफेक्ट (NHSE) पर केंद्रित रहे हैं, ये घटनाएँ अक्सर सक्रिय नियंत्रण के बिना आंतरिक विषमताओं या स्टोकेस्टिक मेजरमेंट प्रक्रियाओं पर निर्भर करती हैं।

इस कार्य में संबोधित मुख्य चुनौती यह है: क्या मिड-सर्किट मेजरमेंट्स को निष्क्रिय रीडआउट टूल्स से बदलकर सक्रिय नियंत्रण संकेतों में बदला जा सकता है ताकि बड़े पैमाने के, शोर वाले क्वांटम हार्डवेयर पर विशिष्ट, दिशात्मक, गैर-यूनिटरी डायनेमिक्स को इंजीनियर किया जा सके? विशेष रूप से, लेखक यह प्रदर्शित करने का लक्ष्य रखते हैं कि फीडबैक लूप कैसे रैंडम क्वांटम सर्किट्स की स्थानिक समरूपता (spatial symmetry) को तोड़ सकते हैं, जिससे सूचना का एक सुदृढ़ "समय का तीर" (arrow of time) या दिशात्मक प्रवाह उत्पन्न होता है, जो मानक NHSE तंत्रों से भिन्न है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक IBM सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर (100 क्विबिट्स तक) पर एक फीडबैक-निर्देशित सर्किट आर्किटेक्चर प्रस्तावित और कार्यान्वित करते हैं। कार्यप्रणाली में तीन मुख्य घटक शामिल हैं:

A. सर्किट आर्किटेक्चर

सिस्टम एक "ब्रिकवर्क" रैंडम यूनिटरी सर्किट ( $U_{rand}$ ) का उपयोग करता है, जो रैंडम सिंगल-क्विबिट रोटेशन ( $R_X$ ) और कंट्रोल्ड-जेड (CZ) गेट्स से बना है ताकि सूचना को स्कैम्बल (scramble) किया जा सके। इसमें वे मिड-सर्किट मेजरमेंट्स और उसके बाद रियल-टाइम कंडीशनल ऑपरेशन्स (फीडफॉरवर्ड) जोड़ते हैं। दो प्राथमिक फीडबैक प्रोटोकॉल का परीक्षण किया गया है:

पोजीशन-डिपेंडेंट फीडबैक (कंडीशनल-X):
- क्विबिट्स को एक स्थानिक रूप से परिवर्तनशील प्रायिकता $f(x) = (L-x)g$ के साथ मापा जाता है।
- यदि परिणाम $|0\rangle$ है, तो क्विबिट को फ्लिप करने के लिए एक कंडीशनल पाउली-X गेट लागू किया जाता है।
- तंत्र (Mechanism): यह $|0\rangle$ अवस्था के स्थिति-निर्भर नुकसान (loss) को बनाता है, जो प्रभावी रूप से एक 'ड्रिफ्ट' (drift) को इंजीनियर करता है।
फीडबैक-कंडीशन्ड ऑपरेटर (कंडीशनल-SWAP):
- क्विबिट्स को एक समान प्रायिकता $p_{SWAP}$ के साथ मापा जाता है।
- यदि परिणाम $|0\rangle$ है, तो मापे गए क्विबिट ( $x$ ) और उसके दाहिने पड़ोसी ( $x+1$ ) के बीच एक SWAP गेट लागू किया जाता है।
- तंत्र (Mechanism): यह $x \to x+1$ की ओर जनसंख्या के दिशात्मक हस्तांतरण को प्रेरित करता है, जिससे एक एकदिशीय धारा (unidirectional current) उत्पन्न होती है।

B. हार्डवेयर कार्यान्वयन

प्लेटफॉर्म: IBM क्वांटम प्रोसेसर (विशेष रूप से "marrakesh" डिवाइस)।
पैमाना (Scale): 20, 50, 80, और 100 क्विबिट्स की श्रृंखलाओं पर सिमुलेशन किए गए।
एरर मिटिगेशन (Error Mitigation):
- स्कैम्बलिंग स्ट्रेंथ: लेखकों ने यूनिटरी गेट्स (रोटेशन एंगल्स) की यादृच्छिकता (randomness) को अनुकूलित किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि हार्डवेयर का अंतर्निहित शोर सर्किट के अपने 'केओस' (chaos) द्वारा औसत (average) हो जाए, जिससे कोई अवांछित दिशात्मक संकेत उत्पन्न न हो।
- क्लासिकल स्टोकेस्टिक मॉडलिंग: परिणामों को मान्य करने के लिए, उन्होंने एक क्लासिकल डिस्क्रीट-टाइम मार्कोव मॉडल विकसित किया जो बिट-स्ट्रिंग इवोल्यूशन का अनुकरण करता है, जिसमें मेजरमेंट और फीडबैक की संभाव्य प्रकृति को ध्यान में रखा गया है।

C. ऑब्जर्वेबल्स (Observables)

सेंटर ऑफ मास ( $N_c$ ): उत्तेजना घनत्व (excitation density) की औसत स्थिति को ट्रैक करता है।
लोकल डेंसिटी ( $\langle n_x \rangle$ ): समय के साथ उत्तेजनाओं के स्थानिक वितरण को विज़ुअलाइज़ करता है।
इफेक्टिव पोलराइजेशन ( $J_c$ ): एक बाउंड्री-टू-बाउंड्री असंतुलन मेट्रिक जिसे $\langle n_{L-1} - n_0 \rangle / \sum \langle n_x \rangle$ के रूप में परिभाषित किया गया है, जो दिशात्मक प्रवाह का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, भले ही बल्क डेंसिटी प्रोफाइल सममित दिखाई दे।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

फीडबैक के माध्यम से सक्रिय नियंत्रण: यह पेपर प्रदर्शित करता है कि मेजरमेंट बैक-एक्शन को एक प्रोग्रामेबल संसाधन में बदला जा सकता है। क्वांटम स्टेट को उसके क्लासिकल मेजरमेंट रिकॉर्ड से जोड़कर, लेखक एक दिशात्मक सूचना प्रवाह को इंजीनियर करते हैं जो विशुद्ध रूप से यूनिटरी या शुद्ध रूप से स्टोकेस्टिक मेजरमेंट सर्किट्स में मौजूद नहीं होता है।
NHSE से भिन्नता: देखी गई विषमता (asymmetry) ऑपरेशनल रूप से जनरेट की गई है (फीडबैक लूप द्वारा: मेजरमेंट आउटकम $\to$ कंडीशनल गेट्स), न कि माइक्रोस्कोपिक हैमिल्टोनियन में एनकोडेड (जैसा कि नॉन-हर्मिटीन स्किन इफेक्ट में होता है)। यह क्वांटम ट्रेजेक्टरीज द्वारा संचालित गैर-यूनिटरी डायनेमिक्स की एक नई श्रेणी स्थापित करता है।
स्केलेबिलिटी: इस फ्रेमवर्क को सफलतापूर्वक 100 क्विबिट्स पर प्रदर्शित किया गया है, जो मेजरमेंट-इंड्यूस्ड डायनेमिक्स के अनुकरण के पिछले प्रयासों की तुलना में काफी बड़ा पैमाना है। परिणाम दिखाते हैं कि फीडबैक-प्रेरित दिशात्मकता हार्डवेयर शोर के बावजूद सुदृढ़ बनी रहती है।
सैद्धांतिक-प्रायोगिक सेतु: लेखक क्वांटम हार्डवेयर डेटा और एक प्रभावी क्लासिकल स्टोकेस्टिक मॉडल (और कंटिनम ड्रिफ्ट-डिफ्यूजन समीकरणों) के बीच एक कठोर लिंक प्रदान करते हैं, जो यह सत्यापित करता है कि देखे गए डायनेमिक्स सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाते हैं।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

सिमेट्री ब्रेकिंग (Symmetry Breaking): विशुद्ध रूप से यूनिटरी सर्किट और केवल स्टोकेस्टिक मेजरमेंट (बिना फीडबैक के) वाले सर्किट में सूचना का सममित प्रसार देखा गया। इसके विपरीत, कंडीशनल-X और कंडीशनल-SWAP फीडबैक वाले सर्किटों ने स्पष्ट असममित प्रवाह (ड्रिफ्ट) दिखाया, जो चेन के एक किनारे की ओर था।
स्केल पर सुदृढ़ता (Robustness at Scale):
- 100-क्विबिट श्रृंखलाओं पर, फीडबैक-प्रेरित दिशात्मक प्रवाह बना रहा।
- इफेक्टिव पोलराइजेशन मेट्रिक ( $J_c$ ) ने 0.6 तक के मान प्राप्त किए, जो दिशात्मक परिवहन का एक स्पष्ट, आकार-स्वतंत्र सिग्नेचर प्रदान करता है, जबकि स्थानीय घनत्व प्रोफाइल कभी-कभी शोर के कारण अस्पष्ट थे।
ट्यूनिबिलिटी (Tunability): दिशात्मक ड्रिफ्ट की शक्ति को मेजरमेंट ग्रेडिएंट पैरामीटर $g$ को समायोजित करके ट्यून किया जा सकता था। $g$ को बढ़ाने से नेट सेंटर-ऑफ-मास शिफ्ट रैखिक रूप से बढ़ गया।
बाउंड्री प्रभाव (Boundary Effects): जब प्रारंभिक अवस्था को उस सीमा (boundary) के पास रखा गया जहाँ मेजरमेंट दर कम थी, तो फीडबैक प्रभाव दब गया, जिससे पुष्टि हुई कि यह तंत्र पूरी चेन में मेजरमेंट प्रोबेबिलिटी और कंडीशनल ऑपरेशन्स के बीच परस्पर क्रिया पर निर्भर करता है।
शोर प्रतिरोध (Noise Resilience): अराजक (chaotic) सर्किट की अंतर्निहित यादृच्छिकता ने व्यवस्थित हार्डवेयर त्रुटियों को प्रभावी ढंग से औसत कर दिया, जिससे शोर वाले इंटरमीडिएट-स्केल क्वांटम (NISQ) डिवाइसेस पर भी फीडबैक सिग्नल स्पष्ट रूप से उभर सका।

5. महत्व (Significance)

गैर-यूनिटरी नियंत्रण के लिए नया प्रतिमान: यह कार्य फीडबैक को गैर-यूनिटरी भौतिकी को इंजीनियर करने के लिए एक प्रोग्रामेबल संसाधन के रूप में स्थापित करता है। यह केवल विसर्जन (dissipation) के माध्यम से ओपन सिस्टम्स का अनुकरण करने से आगे बढ़कर, मेजरमेंट आउटकम्स का उपयोग करके क्वांटम डायनेमिक्स को सक्रिय रूप से स्टीयर (steer) करने की ओर ले जाता है।
नॉन-हर्मिटीन भौतिकी के लिए स्केलेबल प्लेटफॉर्म: यह डिजिटल क्वांटम कंप्यूटरों पर नॉन-हर्मिटियन घटनाओं, मेजरमेंट-इंड्यूस्ड क्रिटिकैलिटी और नॉन-इक्विलिब्रियम फेज ट्रांजिशन का अध्ययन करने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है, जिन्हें कंट्रोल सीमाओं के कारण एनालॉग प्लेटफॉर्म्स (जैसे कोल्ड एटम्स) पर साकार करना कठिन होता है।
हार्डवेयर सत्यापन: 100 क्विबिट्स पर इन प्रोटोकॉल को सफलतापूर्वक चलाकर, यह पेपर सिद्ध करता है कि वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर, लेटेंसी और रीडआउट त्रुटियों के बावजूद, जटिल, मेजरमेंट-ड्रिवन मेनी-बॉडी डायनेमिक्स का अन्वेषण करने के लिए पर्याप्त है।
भविष्य की दिशाएं: यह दृष्टिकोण ट्यून करने योग्य ओपन-सिस्टम व्यवहारों, दिशात्मक क्वांटम ट्रांसपोर्ट, और संभावित रूप से रियल-टाइम फीडबैक के माध्यम से विशिष्ट क्वांटम अवस्थाओं (जैसे टोपोलॉजिकल फेजेस) को स्थिर करने के लिए नए रास्ते खोलता है, जो अधिक परिष्कृत क्वांटम कंट्रोल प्रोटोकॉल का मार्ग प्रशस्त करता है।

संक्षेप में, यह पेपर सफलतापूर्वक प्रदर्शित करता है कि मेजरमेंट-आधारित फीडबैक का उपयोग रैंडम क्वांटम सर्किट्स में स्थानिक समरूपता को तोड़ने के लिए किया जा सकता है, जिससे बड़े पैमाने के हार्डवेयर पर सुदृढ़, ट्यून करने योग्य और दिशात्मक क्वांटम डायनेमिक्स उत्पन्न होता है, जो पारंपरिक नॉन-हर्मिटीन तंत्रों से अलग है।