High-fidelity EDSR in Si/SiGe Wiggle Wells
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि Si/SiGe विगल वेल्स (Wiggle Wells), मिश्र धातु विकार (alloy disorder) के कारण होने वाले राबी आवृत्तियों (Rabi frequencies) के स्थानिक यादृच्छिकीकरण (spatial randomization) के बावजूद, विकार-प्रेरित वैली द्विध्रुवों (valley dipoles) का लाभ उठाकर और विद्युत-क्षेत्र-असंवेदनशील "स्वीट स्पॉट्स" (sweet spots) की पहचान करके, उच्च-निष्ठा वाले, माइक्रोमैग्नेट-मुक्त EDSR गेट संचालन प्राप्त कर सकते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप एक एकल इलेक्ट्रॉन को सूचना के बिट के रूप में उपयोग करके एक छोटा, अत्यंत तीव्र कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं। इस इलेक्ट्रॉन में एक गुण होता है जिसे "स्पिन" (spin) कहा जाता है, जो एक छोटे कंपास की सुई की तरह ऊपर या नीचे की ओर इशारा करता है। इस कंप्यूटर को काम करने के लिए, आपको उस सुई को बहुत तेज़ी से और सटीकता से आगे-पीछे घुमाने की आवश्यकता होगी।
सिलिकॉन चिप्स (वही सामग्री जिसका उपयोग आपके फोन में किया जाता है) की दुनिया में, यह आमतौर पर कठिन है क्योंकि इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्रों (electric fields) के प्रति स्वाभाविक रूप से अच्छी प्रतिक्रिया नहीं देता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर स्पिन को घुमाने में मदद करने के लिए सूक्ष्म चुंबकों (micromagnets) का उपयोग करते हैं। हालाँकि, ये चुंबक भारी होते हैं, इन्हें बनाना कठिन होता है, और ये शोर (noise) पैदा कर सकते हैं जो कंप्यूटर की गणनाओं में गड़बड़ी पैदा करता है।
यह शोध पत्र केवल बिजली का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन के स्पिन को घुमाने के एक चतुर नए तरीके की खोज करता है, जिसमें किसी चुंबक की आवश्यकता नहीं है। शोधकर्ता एक विशेष प्रकार की सिलिकॉन संरचना का उपयोग करते हैं जिसे "विगल वेल" (Wiggle Well) कहा जाता है।
विगल वेल: एक ऊबड़-खाबड़ सड़क
एक मानक सिलिकॉन चिप को एक सपाट, चिकनी सड़क के रूप में सोचें। एक "विगल वेल" एक ऐसी सड़क की तरह है जिसमें सामग्री के भीतर ही उतार-चढ़ाव का एक बहुत ही विशिष्ट, लयबद्ध पैटर्न बना हुआ है। ये उभार चिप के अंदर जर्मेनियम (एक सामग्री जो सिलिकॉन के समान है) की मात्रा को दोलन (oscillate) करके बनाए जाते हैं।
शोध पत्र का दावा है कि यह "लहराती हुई" सड़क इलेक्ट्रॉन को विद्युत क्षेत्रों के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील बनाती है, जिससे वह अपने स्पिन को तेज़ी से घुमा पाता है। यह गति के लिए तो अच्छा है, लेकिन एक समस्या है: सामग्री पूर्ण नहीं है।
समस्या: "रैंडम अलॉय" का बिखराव
जर्मेनियम के परमाणु एक सटीक ग्रिड में नहीं रखे गए हैं; वे एक जार में डाले गए कंचों की तरह बिखरे हुए हैं। यह यादृच्छिकता (randomness) छोटे-छोटे विद्युत उभारों और घाटियों का एक अराजक परिदृश्य बनाती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह यादृच्छिकता इलेक्ट्रॉन की स्पिन-फ्लिपिंग क्षमता को दो आश्चर्यजनक तरीकों से प्रभावित करती है।
"भ्रमित कंपास" (स्थानिक यादृच्छिकता - Spatial Randomization):
कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसी सड़क पर कार चला रहे हैं जहाँ सड़क पर आपकी स्थिति के आधार पर स्टीयरिंग व्हील की संवेदनशीलता बेतरतीब ढंग से बदलती रहती है। कभी भी एक छोटा सा मोड़ कार को 360 डिग्री घुमा देता है; अन्य समय में, यह मुश्किल से हिलती भी है।
विगल वेल में, "स्टीयरिंग संवेदनशीलता" (जिसे राबी फ्रीक्वेंसी - Rabi frequency कहा जाता है) एक छिपे हुए गुण पर निर्भर करती है जिसे "वैली फेज" (valley phase) कहते हैं। क्योंकि जर्मेनियम के परमाणु बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए हैं, इसलिए यह फेज एक स्थान से दूसरे स्थान पर बदल जाता है। कुछ स्थानों पर, स्पिन पूरी तरह से घूमता है; अन्य स्थानों में, स्पिन का घूमना कमजोर होता है या गलत दिशा में होता है।"नया इंजन" (वैली डाइपोल - Valley Dipoles):
यह यादृच्छिकता अनजाने में स्पिन को घुमाने का एक बिल्कुल नया तरीका भी बना देती है। सोचिए कि इलेक्ट्रॉन केवल एक घूमते हुए लट्टू के रूप में नहीं, बल्कि एक छोटी नाव के रूप में है। एक आदर्श दुनिया में, नाव स्थिर रहती है। लेकिन बेतरतीब उभारों के कारण, नाव का "गुरुत्वाकर्षण केंद्र" थोड़ा सा खिसक जाता है। जब आप विद्युत क्षेत्र के साथ नाव को धक्का देते हैं, तो वह डगमगाती है और एक नए, अप्रत्याशित तरीके से घूमती है।
शोध पत्र इसे "वैली डाइपोल" कहता है। आश्चर्यजनक रूप से, उन क्षेत्रों में जहाँ "उभार" बहुत छोटे होते हैं (कम वैली स्प्लिटिंग), यह नया इंजन मूल इंजन की तुलना में अधिक शक्तिशाली होता है। यह स्पिन को अविश्वसनीय रूप से तेज़ बना सकता है, लेकिन यह सटीक स्थान के प्रति बहुत संवेदनशील भी है।
समाधान: "स्वीट स्पॉट्स" (Sweet Spots) को खोजना
यदि सड़क इतनी ऊबड़-खाबड़ है और स्टीयरिंग इतनी अनिश्चित है, तो आप गाड़ी कैसे चलाएंगे? शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि अराजक सड़क पर भी कुछ विशिष्ट "स्वीट स्पॉट्स" होते हैं।
- स्वीट स्पॉट: कल्पना कीजिए कि तूफानी समुद्र के बीच में पानी का एक शांत पैच है। इन विशिष्ट स्थानों पर, अराजक प्रभाव एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। स्टीयरिंग स्थिर हो जाती है, और स्पिन विश्वसनीय रूप से घूमता है, चाहे वातावरण से होने वाली छोटी-मोटी विद्युत हलचल (noise) कैसी भी क्यों न हो।
- मैप (मानचित्र): टीम ने पूरे चिप का एक मानचित्र बनाया। उन्होंने पाया कि जबकि कुछ क्षेत्र अराजक हैं (जो कंप्यूटिंग के लिए बुरे हैं), पूरे चिप में कई ऐसे "स्वीट स्पॉट्स" बिखरे हुए हैं जहाँ कंप्यूटर अत्यंत उच्च सटीकता के साथ काम कर सकता है।
निष्कर्ष
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि विगल वेल एक उच्च गुणवत्ता वाले क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए एक आशाजनक मंच है, जिसमें अव्यवस्थित माइक्रोमैग्नेट्स की आवश्यकता नहीं है।
हालाँकि, सड़क के नियम मौजूद हैं: आप अपने कंप्यूटर को कहीं भी नहीं रख सकते। आपको उन विशिष्ट "स्वीट स्पॉट्स" को खोजने के लिए चिप का सावधानीपूर्वक मानचित्रण करना होगा जहाँ यादृच्छिक विकार (random disorder) आपके विरुद्ध काम करने के बजाय आपके पक्ष में काम करता है। यदि आप उन क्षेत्रों से बचते हैं जहाँ "वैली स्प्लिटिंग" बहुत कम है (सबसे अराजक क्षेत्र), तो आप उच्च सटीकता वाले संचालन प्राप्त कर सकते हैं जो विद्युत शोर (electrical noise) के प्रति मजबूत है।
संक्षेप में: सामग्री अव्यवस्थित है, लेकिन यदि आप जानते हैं कि आपको वास्तव में कहाँ खड़ा होना है, तो आप उस अव्यवस्था का उपयोग एक सुपर-फास्ट, मैग्नेट-मुक्त क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए कर सकते हैं।
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