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A digitally controlled silicon quantum processing unit

यह शोध पत्र एक स्केलेबल सिलिकॉन क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट प्रस्तुत करता है जो एक कस्टम क्रायोजेनिक सीएमओएस (CMOS) कंट्रोलर, उच्च-घनत्व वाली सुपरकंडक्टिंग केबलिंग और 18 एक्सचेंज-ओनली क्वबिट्स को होस्ट करने में सक्षम 54-डॉट ऐरे को एकीकृत करता है, जो सामूहिक रूप से उपयोगिता-स्तर की क्वांटम कंप्यूटिंग का मार्ग प्रशस्त करने के लिए अत्याधुनिक प्रदर्शन और सफल त्रुटि सुधार प्रदर्शित करते हैं।

मूल लेखक: Members of the HRL Quantum Team, Collaborators, :, Michael Abraham, Edwin Acuna, Tower S. Adams, Moonmoon Akmal, Matthew R. Alfaro, I. Alvarado, Jacob Amontree, Carter Andrews, Reed W. Andrews, Mich
प्रकाशित 2026-04-20
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CC BY 4.0

मूल लेखक: Members of the HRL Quantum Team, Collaborators, :, Michael Abraham, Edwin Acuna, Tower S. Adams, Moonmoon Akmal, Matthew R. Alfaro, I. Alvarado, Jacob Amontree, Carter Andrews, Reed W. Andrews, Michael Antcliffe, Andre R. Aséncio, Ryan M. Avila Batres, Cynthia D. Baringer, David W. Barnes, Katherine M. Beech, Russell G. Blakey, Zachery T. Bloom, Aaron J. Bluestone, Jacob Z. Blumoff, Matthew G. Borselli, Koel A. Bose, Brydon Boyd, Jacob T. Boyer, Teresa L. Brecht, Christopher C. Brough, Rex A. Brown, Steven L. Brown, Tyler A. Cain, John B. Carpenter, Stephen Carr, Faustin W. Carter, Mitchell Casanova, Jacob L. Chambers, Matthew D. Chambers, Khamsorn L. Chanthavong, James M. Chappell, Rhian Chavez, Kevin C. Chen, Peter S. Chen, Maxwell D. Choi, Krishna Choudhary, Matthew N. H. Chow, Justin E. Christensen, Aaron M. Chronister, Andrew M. Clapper, Abigail A. Coker, Michael D. Cornelius, Albert E. Cosand, Ian T. Counts, Edward T. Croke, Gregory M. Crosswhite, Erik S. Daniel, Tuan A. Dao, Dominic Daprano, Tiffany Davis, Neha Deshpande, Rachel S. Dey, D. Scott Diamond, Claire E. Dickerson, J. P. Dodson, James B. Dragan, Marc Dvorak, Lisa F. Edge, Charles R. Elliott, Kenneth R. Elliott, Kevin Eng, Jacob Fast, Colin P. Feeney, David J. Fialkow, Dylan H. Finestone, Micha N. Fireman, Bryan H. Fong, Trevor M. Fowler, Sean Frazier, Kiera L. Fuller, Christina A. C. Garcia, Kacy L. Garstka, Kara C. Garvey, Zachary A. Geiger, Galen R. Gledhill, Caleigh M. Goodwin-Schoen, Joseph L. Goralka, Bradley W. Greene, Hrayr K. Gurgenian, Sieu D. Ha, Wonill Ha, Nathanial R. Hapeman, Brooke M. Hardesty, Jim W. Harrington, Patrick M. Harrington, Thomas R. B. Harris, Ben M. Harrison, Anthony T. Hatke, Robert R. Hayes, Kevin He, Raul Hernandez Garcia, Ryan M. Hickey, Jocelyn Hicks-Garner, Alex Hirman, Donald A. Hitko, David Ho, Holland Y. Ho, Vinh S. Ho, nathan holman, Adam Holmes, Nerys Huffman, Daniel R. Hulbert, Eric B. Isaacs, Clayton A. C. Jackson, Logan Jaeger, Ian Jenkins, Cameron Jennings, Paul C. Jerger, B. Johnson, Aaron M. Jones, Michael P. Jura, Adour V. Kabakian, Raj M. Katti, Tyler Keating, Joseph Kerckhoff, Joseph D. Kern, Isaac Khalaf, Aditya Kher, Jake J. Kim, Erich W. Kinder, Andrey A. Kiselev, William F. Koehl, Patrick W. Krantz, Thaddeus D. Ladd, Pierce G. Laing, Sanaaya Lakdawala, Nathan J. Lang, Robert Lanza, Elias Lawson-Fox, Dustin Le, Kangmu Lee, Nathan R. A. Lee, Jaime Lerma, Mark P. Levendorf, Alwina R. Liu, Henry Lizarraga, Aurelio Lopez, Hoa C. Ly, Torrey T. Lyons, Theodore K. Macioce, Matthew M. Mackey, John K. Maeda, Ryan M. Martin, Daniel S. Matic, Justine W. Matten, Gavin C. Mazur, Max S. McCready, Olivia Means, Kevin E. Millner, Ivan Milosavljevic, Matthew Morris, Susan L. Morton, Samuel Mumford, Bryce D. Murley, Robert G. Nagele, Taro A. Naoi, Cameron R. Nelson, Georgia A. Newman, David B. Nguyen, Tina Niknejad, Rebecca N. Nishide, Liam C. O'Brien, Colin B. E. O'Keefe, Riley P. O'Neil, Andrew E. Oriani, Anthony F. Ortiz, John J. Ottusch, Andrew Pan, Pamela R. Patterson, Uttam Paudel, Julius C. Perez, Christi A. Peterson, Vu T. Phan, Nickolas H. Pilgram, Clifford E. Plesha, Winston Pouse, Eric M. Prophet, Daniel R. Queen, Nicholas Quirk, Kate Raach, Matthew T. Rakher, Matthew D. Reed, Brandon D. Reynolds, Zechariah Rogers, Yakov Royter, Matthew J. Ruiz, Golam Sabbir, Roshan Sajjad, Christopher D. Sanborn, Rachel H. Sarmiento, Christian J. Schnaible, Cole Scott, Nicholas M. Sebastiani, Eric M. Segall, Adalberto Sicairos, Shariq Siddiqui, Kartik Singh, Aaron Smith, Daniel E. Smith, Robert S. Smith, Sarah F. Sontag, Emilio A. Sovero, Kevin C. Staley, Andrea Su, June Suh, Bo Sun, Danny Sun, Christopher M. Swank, Noah Swimmer, Mariano J. Taboada, Bryan J. Thomas, Yessica Torres, Jeremy W. Touve, Alan Tran, Ivan Tran, Chantang Tsen, Skylar Turner, Miguel Valencia, Irma Valles, James R. van Meter, Nicholas D. VanRensselaer, Franklin Vartanian, Daniel Volya, Zachary J. Vrba, Phuong Hong Vu, Annette L. Wagner, John Wallner, Michael P. Walsh, Shuoqin Wang, Tong Wang, Daniel R. Ward, Aaron J. Weinstein, Terry B. Welch, Thomas V. Westrick, Evan T. White, Randall M. White, Samuel J. Whiteley, Gananath Wijeratne, Parker Williams, Jack T. Wilson, Courtney P. Wilt, Deborah E. Winklea, Onnik Yaglioglu, Daniel Yap, Clifford S. YoungSciortino, Daniel Zehnder, Andrew Ziegler

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 आप एक ऐसा सुपरकंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो उन समस्याओं को हल कर सके जिन्हें कोई सामान्य कंप्यूटर कभी नहीं कर सकता। यह एक क्वांटम कंप्यूटर है। लेकिन इसमें एक पेंच है: इसके सोचने वाले बहुत छोटे हिस्से (जिन्हें क्यूबिट्स कहा जाता है) अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। वे कांच की नाजुक गोलियों (marbles) की तरह हैं जो टूट जाती हैं यदि आप उन्हें बहुत ध्यान से देखते हैं, या यदि कमरा बहुत गर्म हो जाता है, या यदि कमरा बहुत शोर भरा हो।

लंबे समय तक, एक उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर बनाना 1800 के दशक के मानचित्र का उपयोग करके एक भीड़भाड़ वाले शहर के माध्यम से एक हाई-स्पीड ट्रेन चलाने जैसा था। आपके पास ट्रेन (क्यूबिट्स) तो है, लेकिन आपके पास उन सभी को एक साथ प्रबंधित करने के लिए ट्रैक, सिग्नल या कंट्रोल टॉवर नहीं है।

HRL लैबोरेटरीज का यह शोध पत्र एक बड़ी सफलता का वर्णन करता है: उन्होंने एक पूर्ण, स्व-निहित "क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट" (QPU) बनाया है जो इन नियंत्रण समस्याओं को हल करता है। उन्होंने इसे कैसे किया, यहाँ सरल भाषा में समझाया गया है।

1. मस्तिष्क: सिलिकॉन क्यूब्स (वे "कांच की गोलियाँ")

अधिकांश क्वांटम कंप्यूटर ऐसी विलक्षण सामग्रियों का उपयोग करते हैं जिन्हें बनाना कठिन होता है। इस टीम ने सिलिकॉन का उपयोग किया, वही सामग्री जिसका उपयोग आपके स्मार्टफोन के प्रोसेसर में किया जाता है।

  • उपमा: उनके क्यूब्स को एक छोटी सी डिब्बी में फंसे तीन नन्हे इलेक्ट्रॉन्स के रूप में समझें। एक साधारण "ऑन/ऑफ" स्विच होने के बजाय, वे एक घूमते हुए लट्टू (spinning top) की तरह हैं। बिजली से उन्हें धकेल कर, वे गणित करने के लिए जटिल तरीकों से घूम सकते हैं।
  • नवाचार: उन्होंने इन सिलिकॉन चिप्स को अविश्वसनीय रूप से स्वच्छ और शांत बनाया। यह एक शोर वाले कारखाने के फर्श को एक शांत पुस्तकालय में बदलने जैसा है, ताकि नाजुक क्वांटम "लट्टू" डगमगाकर गिर न जाएं।

2. समस्या: "वायरिंग बॉटलनेक" (तारों की बाधा)

आमतौर पर, इन क्यूब्स को नियंत्रित करने के लिए, आपको कंप्यूटर के जमा देने वाले ठंडे हिस्से (शून्य के करीब तापमान) से लेकर बाहर के गर्म कमरे तक सैकड़ों तार चलाने की आवश्यकता होती है।

  • उपमा: कल्पना कीजिए कि आप फ्रीजर से किचन तक 500 अलग-अलग स्ट्रॉ (straws) चलाकर एक विशाल आइसक्रीम की दुकान को ठंडा करने की कोशिश कर रहे हैं। कमरे की गर्मी उन स्ट्रॉ के माध्यम से नीचे जाएगी, जिससे आइसक्रीम पिघल जाएगी। क्वांटम कंप्यूटरों में, यह गर्मी डेटा को नष्ट कर देती है।
  • पुराना तरीका: नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को गर्म कमरे में रखें। परिणाम: बहुत अधिक तार, बहुत अधिक गर्मी, बहुत अधिक अव्यवस्था।
  • नया तरीका: नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को फ्रीजर के अंदर रखें, लेकिन बहुत गहराई में नहीं।

3. समाधान: "क्रायो-कंट्रोलर" (एक "स्मार्ट थर्मोस्टेट")

इस टीम ने एक कस्टम कंप्यूटर चिप बनाई है जो 4 केल्विन (लगभग -450°F) पर रहती है। यह पर्याप्त रूप से ठंडा है ताकि कुशल हो सके, लेकिन इतना गर्म है कि एक कंप्यूटर चिप चल सके।

  • उपमा: फ्रीजर में संगीतकारों को निर्देश देने के लिए गर्म कमरे में एक कंडक्टर के चिल्लाने के बजाय, उन्होंने संगीतकारों के ठीक बगल में एक स्मार्ट कंडक्टर रखा है। यह कंडक्टर (चिप) जानता है कि क्या करना है और बिना लंबे, गर्म तार की आवश्यकता के तुरंत संकेत भेजता है।
  • यह क्यों मायने रखता है: यह चिप मानक विनिर्माण तकनीकों (जैसे कार के पुर्जे बनाना) का उपयोग करके बनाई गई है, जिसका अर्थ है कि हम अंततः इन्हें सस्ते में बड़े पैमाने पर बना सकते हैं।

4. कनेक्शन: "सुपरकंडक्टिंग रिबन" (एक "हाई-स्पीड एलीवेटर")

आप संकेतों को 4K कंट्रोलर से अत्यधिक ठंडे क्यूब्स तक बिना गर्मी लाए कैसे पहुँचाते हैं?

  • उपमा: उन्होंने एक विशेष धातु से बनी एक अति-पतली, अति-मजबूत रिबन केबल बनाई है जो बिजली का संचालन शून्य प्रतिरोध (zero resistance) के साथ करती है (सुपरकंडक्टिंग)।
  • जादू: यह रिबन बिजली के लिए एक थर्मल इंसुलेटर (एक थर्मस) की तरह है। यह बिजली के संकेतों को उच्च गति से गुजरने देती है, लेकिन गर्मी को नीचे आने से रोकती है। यह एक ऐसे हाईवे की तरह है जहाँ कारें तेज़ी से चल सकती हैं, लेकिन इंजन की गर्मी यात्रियों तक नहीं पहुँचती।

5. परीक्षण: "क्वांटम चेकर्स" खेलना (त्रुटि सुधार)

असली परीक्षण केवल पुर्जों को बनाना नहीं था; यह उन्हें अपनी गलतियों को खुद ठीक करने के लिए मिलकर काम करने के लिए बनाना था। क्वांटम कंप्यूटर लगातार त्रुटियां करते हैं। उपयोगी होने के लिए, उन्हें त्रुटि सुधार (Error Correction) की आवश्यकता होती है—गलती को पकड़ने और गणना को बर्बाद करने से पहले उसे ठीक करने की क्षमता।

टीम ने यह साबित करने के लिए दो खेल खेले कि यह काम करता है:

  1. रेपेटिशन कोड (Repetition Code): कल्पना कीजिए कि आप संदेश "101" को पांच बार लिख रहे हैं। यदि एक "1" गलती से "0" में बदल जाता है, तो आप अन्य चार को देखकर सही उत्तर का अनुमान लगा सकते हैं। उन्होंने यह 5 क्यूब्स के साथ किया और साबित किया कि सिस्टम त्रुटियों को पहचान और ठीक कर सकता है।
  2. एरर डिटेक्टिंग कोड (Error Detecting Code): उन्होंने एक अधिक जटिल खेल ([[4,2,2]] कोड) का उपयोग किया ताकि उन छिपी हुई त्रुटियों को पकड़ा जा सके जिन्हें पहला खेल छोड़ सकता था। उन्होंने दिखाया कि "फ्लैग्स" (ancilla qubits) की जांच करके, वे त्रुटियों को पकड़ सकते हैं जो अन्यथा गणना को नष्ट कर देतीं।

बड़ी तस्वीर: यह क्यों मायने रखता है

इससे पहले, क्वांटम कंप्यूटर बनाना एक हथौड़े और टूथपिक के साथ गगनचुंबी इमारत बनाने जैसा था। यह संभव था, लेकिन धीमा और नाजुक था।

यह शोध पत्र दिखाता है कि अब हम एक यूटिलिटी-स्केल क्वांटम कंप्यूटर बना सकते हैं।

  • विनिर्माण क्षमता (Manufacturability): क्योंकि उन्होंने सिलिकॉन और मानक चिप-बनाने वाली प्रक्रियाओं का उपयोग किया है, हम अंततः इन्हें कारखानों में बना सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे आईफोन।
  • स्केलेबिलिटी (Scalability): क्योंकि उन्होंने "वायरिंग बॉटलनेक" को हल कर दिया है, हम हजारों इन चिप्स को बिना सिस्टम को पिघले एक के ऊपर एक रख सकते हैं।
  • विश्वसनीयता (Reliability): उन्होंने साबित किया कि सिस्टम अपनी त्रुटियों को पहचान और सुधार सकता है, जो कि वह "होली ग्रेल" (पवित्र लक्ष्य) है जिसकी आवश्यकता क्वांट कंप्यूटरों को बीमारियों के इलाज या नई सामग्रियों के डिजाइन जैसी वास्तविक दुनिया की समस्याओं को हल करने के लिए होती है।

संक्षेप में: उन्होंने एक नाजुक, प्रयोगात्मक विचार को एक मजबूत, विनिर्माणात्मक मशीन में बदल दिया है। उन्होंने केवल एक बेहतर क्यूब नहीं बनाया; उन्होंने पूरा कंट्रोल टॉवर, वायरिंग और सुरक्षा जाल बनाया, यह साबित करते हुए कि एक व्यावसायिक क्वांटम कंप्यूटर अब विज्ञान कथा (science fiction) नहीं है—यह इंजीनियरिंग है।

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