Superconducting singlet-triplet qubits

एक क्वांटम कंप्यूटर की कल्पना एक विशाल, गूँजते हुए सुपरकंप्यूटर के रूप में नहीं, बल्कि नन्हे, अदृश्य नर्तकों के एक हलचल भरे शहर के रूप में करें। कुछ नर्तक "स्पिन क्वबिट्स" (spin qubits) हैं, जो लट्टू की तरह अपने आप में घूम रहे हैं, जबकि अन्य "सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स" (superconducting qubits) हैं, जो पूर्ण, तालमेल वाली लहरों में चल रहे हैं। लंबे समय तक, ये दो समूह अलग-अलग मोहल्लों में रहते थे, और आपस में शायद ही कभी बात करते थे।

हाल ही में, वैज्ञानिकों ने उनके बीच एक पुल बनाने की कोशिश की जिसे "एंड्रीव स्पिन क्वबिट्स" (Andreev spin-orbit qubits) कहा जाता है। इन नर्तकों को ऐसे सोचें जिन्हें सही ढंग से चलने के लिए एक विशेष, फिसलन भरे डांस फ्लोर (स्पिन-ऑर्बिट इंटरेक्शन) की आवश्यकता होती है। लेकिन यहाँ पेंच यह है कि हर सामग्री के पास वह फिसलन भरा फर्श नहीं होता। सिलिकॉन, जो कंप्यूटर चिप बनाने के लिए एक सुपरस्टार सामग्री है, उसमें यह नहीं है, जिसका अर्थ था कि सिलिकॉन-आधारित नर्तक किनारे पर ही खड़े रह गए।

अब, एनाटोलिय लॉटकोव और डैनियल लॉस के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार के नर्तक का प्रस्ताव दिया है: सुपरकंडक्टिंग सिंगलेट-ट्रिपलेट (SST) क्वबिट। यह अभी तक एक प्रमाणित, काम करने वाली मशीन नहीं है; यह एक विस्तृत ब्लूप्रिंट और सिमुलेशन का एक सेट है जो बताता है कि इसे कैसे बनाया जाए। उनका बड़ा विचार क्या है? एक ऐसा नर्तक बनाना जिसे उस फिसलन भरे फर्श की बिल्कुल भी आवश्यकता न हो।

टू-डॉट डांस फ्लोर (Two-Dot Dance Floor)

एक एकल SST क्वबिट की कल्पना एक छोटे मंच के रूप में करें जिसमें दो क्वांटम डॉट्स (मान लीजिए "डांस प्लेटफॉर्म") एक जोसेफसन जंक्शन (जोसेफसन जंक्शन - दो सुपरकंडक्टर्स के बीच एक विशेष पुल) के भीतर अगल-बगल स्थित हैं। प्रत्येक प्लेटफॉर्म पर एक इलेक्ट्रॉन है, जो एक छोटा सा घूमता हुआ लट्टू है।

पुराने ज़माने के "सिंगलेट-ट्रिपलेट" क्वबिट्स में, ये दो लट्टू प्लेटफॉर्म की निकटता द्वारा नियंत्रित होकर अपनी जगह बदलने के लिए आपस में क्रिया करते थे। लेकिन इस नए SST डिज़ाइन में, यह क्रिया जादुई है। यह "कूपर पेयर्स" (Cooper pairs) द्वारा संचालित होती है—इलेक्ट्रॉनों के वे जोड़े जो सुपरकंडक्टर्स में एक साथ नाचना पसंद करते हैं। ये जोड़े विभाजित होते हैं, एक इलेक्ट्रॉन को बाएं प्लेटफॉर्म पर और दूसरे को दाएं प्लेटफॉर्म पर भेजते हैं, जिससे एक ऐसा संबंध बनता है जो सुपरकंडक्टर के चुंबकीय चरण (magnetic phase) पर निर्भर करता है।

सबसे अच्छी बात? इस नृत्य के लिए फिसलन भरे स्पिन-ऑर्बिट फ्लोर की आवश्यकता नहीं है। यह सिलिकॉन जैसी मानक सामग्रियों के साथ भी ठीक से काम करता है। यह सुझाव देता है कि यदि हम इन्हें बना सकें, तो हम अंततः क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए सिलिकॉन चिप्स की विशाल, स्थापित तकनीक का उपयोग कर पाएंगे।

मैग्नेटिक कंडक्टर (The Magnetic Conductor)

आप इन नर्तकों से भरे कमरे को कैसे नियंत्रित करेंगे? कई क्वांटम कंप्यूटरों में, आपको हर एक नर्तक को यह बताने के लिए एक अलग तार की आवश्यकता होती है कि उन्हें कब घूमना या बदलना है। यह बहुत जल्दी अव्यवस्थित हो जाता है।

लेखक "मैग्नेटिक फ्लक्स" (इसे अदृश्य चुंबकीय हवा समझें) का उपयोग करके एक चतुर युक्ति का सुझाव देते हैं। कल्पना करें कि SST क्वबिट्स की एक लंबी पंक्ति है जो एक एकल सुपरकंडक्टिंग लूप से जुड़ी हुई है, जैसे मोतियों की एक माला। नर्तकों को नियंत्रित करने के लिए, आपको हर एक के लिए एक तार की आवश्यकता नहीं है। आपको N क्वबिट्स को नियंत्रित करने के लिए केवल N चुंबकीय फ्लक्स रेखाओं की आवश्यकता है।

यह जादू कैसे काम करता है:

• आइडल स्टेट (OFF): जब चुंबकीय हवा को एक विशिष्ट मान (एक "फ्लक्स सेट पॉइंट" $\pi$) पर सेट किया जाता है, तो नर्तक स्थिर खड़े रहते हैं। वे सुरक्षित हैं, शोर से संरक्षित हैं, और जाने के लिए तैयार हैं।
• सोलो डांस (X सेट पॉइंट): यदि आप हवा को एक अलग मान (0) पर बदलते हैं, तो नर्तक व्यक्तिगत रूप से घूमने लगते हैं। आप किसी भी अकेले नर्तक को बिना अपने पड़ोसियों को परेशान किए घुमा सकते हैं।
• पार्टनर डांस (INT सेट पॉइंट): दो नर्तकों को आपस में क्रिया करने (एक टू-क्विबिट गेट) के लिए, आप उन दोनों के लिए हवा को एक विशेष "इंटरेक्शन" मान ($\pi/2$) पर सेट करते हैं। अचानक, वे एक-दूसरे को महसूस करते हैं और एक जटिल युगल नृत्य (duet) कर सकते हैं।

पेपर सुझाव देता है कि इस सेटअप के साथ, आप केवल $N$ कंट्रोल लाइनों का उपयोग करके $N$ क्वबिट्स के बीच कोई भी सिंगल- या टू-क्विबिट गेट निष्पादित कर सकते हैं। यह अन्य तरीकों की तुलना में वायरिंग की भीड़ में एक बड़ी कमी है।

सुरक्षा जाल (The Safety Net)

क्वांटम कंप्यूटिंग में सबसे बड़ी चिंताओं में से एक "शोर" (noise) है—छोटी कंपन या विद्युत गड़बड़ी जो नाजुक नृत्य को खराब कर देती है। लेखकों के सिमुलेशन बताते हैं कि जब ये SST क्वबिट्स अपने "OFF" आइडल स्टेट में होते हैं, तो वे उल्लेखनीय रूप से मजबूत होते हैं। वे चार्ज शोर (विद्युत स्थैतिक) और फ्लक्स शोर (चुंबकीय लहरों) से पहले क्रम (first order) तक सुरक्षित होते हैं। यह एक ऐसे नर्तक की तरह है जो इतना संतुलित है कि हल्की हवा भी उसे डगमगा नहीं सकती।

हालाँकि, वे अभी भी "हाइपरफाइन शोर" (hyperfine noise) के प्रति संवेदनशील हैं, जो सामग्री के भीतर मौजूद चुंबकीय नाभिकों (nuclei) से आता है। पेपर सुझाव देता है कि यदि आप ऐसी सामग्री का उपयोग करते हैं जिसे इन चुंबकीय नाभिकों को हटाने के लिए शुद्ध (isotopic purification) किया गया है, तो आप इन नर्तकों को और भी अधिक स्थिर बना सकते हैं।

ग्रैंड फिनाले: परिणामों को पढ़ना (Reading the Results)

आपको कैसे पता चलेगा कि नर्तकों ने क्या किया? पेपर उन्हें एक "ट्रांसमोन" (एक प्रकार का सुपरकंडक्टिंग क्वबिट) का उपयोग करके पढ़ने का प्रस्ताव देता है जो एक माइक्रोवेव कैविटी से जुड़ा हुआ है। ट्रांसमोन को एक कंडक्टर के रूप में सोचें जो नर्तकों को सुन रहा है।

जब नर्तक अपने "OFF" या "X" अवस्थाओं में होते हैं, तो वे कंडक्टर की आवाज़ के स्वर (pitch) को थोड़ा बदल देते हैं। वेवगाइड के माध्यम से माइक्रोवेव सिग्नल भेजकर और पिच में आए बदलाव को सुनकर, आप जान सकते हैं कि नर्तक किस अवस्था में थे।

हालाँकि, एक पेंच है। पेपर नोट करता है कि यह पढ़ने की विधि "विनाशकारी" (destructive) है। यह नर्तकों की फोटो लेने जैसा है जो उन्हें एक जगह फ्रीज कर देता है लेकिन संगीत को रोक देता है। आप केवल एक नर्तक को देखकर पूरे समूह को प्रभावित नहीं कर सकते। परिणामों को पढ़ने के लिए, आपको संभवतः पहले सभी नर्तकों को एक विशिष्ट अवस्था में ट्यून करना होगा, फिर उन्हें एक-एक करके पढ़ना होगा। इसका मतलब है कि परिणामों को पढ़ने की गति ही यह सीमित करेगी कि आप नर्तकों को कितनी तेज़ी से घुमा सकते हैं। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य के डिज़ाइन अन्य प्रकार के सर्किट (जैसे फ्लक्सोनियम) का उपयोग कर सकते हैं ताकि दूसरों को परेशान किए बिना व्यक्तिगत नर्तकों को देखा जा सके, लेकिन फिलहाल, यही प्रस्तावित योजना है।

निचोड़ (The Bottom Line)

यह पेपर यह दावा नहीं करता है कि इसने दुनिया का पहला सिलिकॉन-आधारित क्वांटम कंप्यूटर बनाया है। इसके बजाय, यह एक नया वास्तुशिल्प ब्लूप्रिंट (architectural blueprint) सुझाता है। यह तर्क देता है कि जोसेफसन जंक्शन में दो क्वांटम डॉट्स को रखकर और उन्हें नियंत्रित करने के लिए चुंबकीय फ्लक्स का उपयोग करके, हम ऐसे क्वबिट्स बना सकते हैं जो:

1. जिन्हें स्पिन-ऑर्बिट इंटरेक्शन की आवश्यकता नहीं है (जो उन्हें सिलिकॉन के अनुकूल बनाता है)।
2. जो बहुत कम कंट्रोल तारों का उपयोग करके ऐरे (array) के किसी भी अन्य क्वबिट से बात कर सकते हैं।
3. जो स्वाभाविक रूप से कुछ प्रकार के शोर से सुरक्षित हैं।

जबकि एंड्रीव स्पिन क्वबिट एक शानदार कदम था, यह SST प्रस्ताव एक व्यापक श्रेणी की सामग्रियों की क्षमता को अनलॉक करने का एक तरीका सुझाता है, जो संभावित रूप से एक ऐसे भविष्य का मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ क्वांटम कंप्यूटर उन्हीं सामग्रियों का उपयोग करके बनाए जा सकते हैं जिनका उपयोग आपकी जेब में रखे स्मार्टफोन में किया जाता है। नृत्य का अभी भी कोरियोग्राफी किया जा रहा है, लेकिन कदम आशाजनक दिख रहे हैं।