Coulomb blockade in microscopic material defects as a source of decoherence and noise in solid-state quantum circuits
यह अध्ययन धातु के उन दानों (मेटालिक ग्रेन्स) की पहचान करता है जो कूलम्ब ब्लॉकेड और माइक्रोवेव-चालित चार्ज टनलिंग प्रदर्शित करते हैं, जो सॉलिड-स्टेट क्वांटम सर्किटों में डिकोहेरेंस के एक व्यापक, पूर्व में अनभिज्ञ स्रोत के रूप में उभरते हैं जो प्रभाव के मामले में टू-लेवल सिस्टम दोषों (TLS डिफेक्ट्स) के बराबर है, और निर्माण के दौरान इन दानों को हटाकर बेहतर डिवाइस प्रदर्शन का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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क्वांटम दुनिया में अदृश्य शोर
कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो केवल संख्याओं की गणना ही नहीं करता, बल्कि वास्तविकता के ताने-बाने के साथ नृत्य करता है। यह क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया है, जहाँ सुपरकंडक्टिंग धातुओं से बने सूक्ष्म सर्किट "सुपरपोजिशन" नामक एक नाजुक अवस्था में सूचना को धारण कर सकते हैं। लेकिन यहाँ एक पेंच है: ये क्वांटम कंप्यूटर अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते हैं। यदि उन्हें कोई झटका लगे, वे गर्म हो जाएं, या गलत प्रकार की ऊर्जा द्वारा "देखा" भी जाए, तो वे अपना जादू खो देते हैं। इस जादू के खो जाने को डिकोहेरेंस (decoherence) कहा जाता है, और यही वह सबसे बड़ा दुश्मन है जो हमारे और शक्तिशाली क्वांटम मशीनों के बीच खड़ा है।
वर्षों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि इन सर्किट्स को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियां दोषरहित नहीं हैं। वे सूक्ष्म, अदृश्य खामियों से भरी हुई हैं। इस शोर का मुख्य संदिग्ध एक ऐसी चीज़ रही है जिसे टू-लेवल सिस्टम (TLS) कहा जाता है। एक TLS को सामग्री में एक छोटे, अदृश्य स्विच की तरह समझें जो बेतरतीब ढंग से आगे-पीछे होता रहता है, जिससे क्वांटम कंप्यूटर की ऊर्जा चोरी होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन स्विचों को खोजने और ठीक करने की कोशिश कर रहे हैं। लेकिन उनके सर्वोत्तम प्रयासों के बावजूद, क्वांटम कंप्यूटर उम्मीद से कहीं अधिक तेजी से ऊर्जा खो देते हैं। सवाल अभी भी बना हुआ है: आखिर क्या चीज़ साये में छिपी है, जो सारा खेल बिगाड़ रही है?
ऊर्जा चुराने वाले नन्हे द्वीप
इस नए अध्ययन में, नेशनल फिजिकल लैबोरेटरी (UK) और रॉयल हॉलोवे, यूनिवर्सिटी ऑफ लंदन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने लाइव सुपरकंडक्टिंग सर्किट्स का बारीकी से निरीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशेष उपकरण का उपयोग किया जिसे स्कैनिंग गेट माइक्रोस्कोप कहा जाता है, जो एक अत्यंत संवेदनशील, विद्युत रूप से आवेशित सुई की तरह है जो एक सर्किट के ऊपर मंडरा सकती है और बिना छुए उसके विद्युत परिदृश्य को "महसूस" कर सकती है।
उन्होंने जो पाया वह एक पहले से अज्ञात अपराधी था: धात्विक कण (metallic grains)।
इन सर्किट्स को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले पतले धातु के पर्दों (films) को चांदी की एक चिकनी, ठोस चादर के रूप में नहीं, बल्कि धातु के छोटे, अलग-थलग द्वीपों के परिदृश्य के रूप में देखें, जिनमें से प्रत्येक लगभग 10 से 30 नैनोमीटर चौड़ा है (जो कि कुछ सौ परमाणुओं की चौड़ाई के बराबर है)। ये द्वीप पतली बाधाओं द्वारा अलग किए गए हैं, जो किसी छोटे तालाब की खाई (moat) की तरह हैं। सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन (वे कण जो बिजली ले जाते हैं) इन खाड़ियों को आसानी से पार नहीं कर सकते। यह एक घटना है जिसे कूलम्ब ब्लॉकेड (Coulomb blockade) कहा जाता है, जो एक द्वारपाल की तरह कार्य करता है, इलेक्ट्रॉनों को उनके विशिष्ट द्वीपों पर लॉक रखता है।
हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि क्वांटम कंप्यूटर से बात करने के लिए उपयोग किए जाने वाले माइक्रोवेव सिग्नल इन द्वीपों को हिलाने वाले एक विशाल, अदृश्य हाथ की तरह कार्य करते हैं। यह हलचल इलेक्ट्रॉनों को इतनी ऊर्जा देती है कि वे कभी-कभी खाई के पार टनल (कूद) कर पाते हैं। लेकिन यहाँ पेचीदा हिस्सा यह है: हर बार जब एक इलेक्ट्रॉन कूदता है, तो वह थोड़ी सी ऊर्जा खो देता है, जो गर्मी के रूप में क्वांटम सर्किट में जमा हो जाती है। यह प्रक्रिया इतनी निरंतर है कि शोधकर्ताओं ने इसकी तुलना ग्रीक राजा सिसिफस (Sisyphus) के मिथक से की, जिसे एक पत्थर को पहाड़ी के ऊपर धकेलने के लिए दंडित किया गया था, केवल इसलिए कि हर बार शिखर पर पहुँचने पर वह पत्थर वापस नीचे लुढ़क जाता था। ये "सिसिफस दोष" (Sisyphus defects) लगातार ऊर्जा को ऊपर धकेलते हैं और उसे वापस नीचे गिरने देते हैं, जिससे सिस्टम में ऊर्जा का निरंतर रिसाव होता है।
यह सब कुछ कैसे बदल देता है
इस खोज का सबसे रोमांचक हिस्सा यह है कि ये दोष सामान्य संदिग्धों से अलग व्यवहार करते हैं।
पहला, ये "सिसिफस दोष" सर्वव्यापी (ubiquitous) हैं। टीम ने तीन अलग-अलग सर्किट्स पर कुछ छोटे क्षेत्रों को स्कैन किया और पाया कि ये धात्विक ग्रेन दोष हर जगह मौजूद हैं। वे प्रसिद्ध टू-लेवल सिस्टम्स (TLS) जितने ही सामान्य और कंप्यूटर के प्रदर्शन के लिए उतने ही हानिकारक प्रतीत होते हैं।
दूसरा, और शायद सबसे महत्वपूर्ण, ये दोष पावर-इंडिपेंडेंट (शक्ति-स्वतंत्र) हैं। यदि आप एक क्वांटम कंप्यूटर पर आवाज़ (माइक्रोवेव पावर) बढ़ाते हैं, तो सामान्य संदिग्ध (TLS) अक्सर "सैचुरेटेड" या अभिभूत हो जाते हैं, और उनका शोर रुक जाता है। लेकिन ये धात्विक कण? ये शोर मचाने की तीव्रता कितनी भी होने पर भी ऊर्जा चुराते रहते हैं। यही कारण है कि कुछ प्रयोगों में केवल पावर बढ़ाकर शोर को ठीक करने के प्रयास विफल रहे; शोर सामान्य स्विचों से नहीं, बल्कि इन जिद्दी, दानेदार द्वीपों से आ रहा था।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि ये दोष संभवतः निर्माण प्रक्रिया के दौरान स्वाभाविक रूप से बनते हैं, विशेष रूप से धातु के पैटर्न के किनारों के पास जहाँ फिल्म थोड़ी खुरदरी हो सकती है या जहाँ अशुद्धियाँ जमा हो सकती हैं। उन्होंने पाया कि ये दोष तब भी जीवित रहते हैं जब वे डिवाइस को कमरे के तापमान तक गर्म करके फिर से ठंडा करते हैं, जो यह साबित करता है कि वे सामग्री की एक स्थायी विशेषता हैं, न कि कोई अस्थायी खराबी।
आगे की राह
यह शोध पत्र केवल एक समस्या की ओर इशारा नहीं करता है; यह समाधान का एक स्पष्ट मार्ग भी प्रदान करता है। चूंकि ये दोष धातु के पर्दों के निर्माण के दौरान बनने वाले भौतिक कण हैं, इसलिए इन्हें बेहतर सामग्री विज्ञान (materials science) के माध्यम से हल किया जा सकता है। लेखक सुझाव देते हैं कि इन पतले धातु के पर्दों को जमा करने के तरीके में सुधार करके—शायद उन्हें अधिक चिकना बनाकर, विभिन्न विकास तकनीकों का उपयोग करके, या उन्हें बेहतर तरीके से एनकैप्सुलेट करके—इंजीनियर इन छोटे द्वीपों को पूरी तरह से समाप्त कर सकते हैं।
यह पहचानकर कि ये "सिसिफस दोष" शोर का एक व्यापक स्रोत हैं, यह अध्ययन इस पुराने विचार को चुनौती देता है कि क्वांटम सुसंगतता (coherence) केवल TLS द्वारा सीमित है। यह सुझाव देता है कि बेहतर क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, हमें अपनी सामग्रियों की सूक्ष्म बनावट को देखने की आवश्यकता है और यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि वे इन छोटे, ऊर्जा चुराने वाले द्वीपों से मुक्त हों। यह एक अनुस्मारक है कि क्वांटम दुनिया में, रेत का एक छोटा सा कण भी एक विशाल मशीन को रोक सकता है।
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