Sampling hard circuits with verifiably high fidelity
यह शोध पत्र एक ऐसी विधि प्रस्तुत करता है जो संरचित, त्रुटि-सुधारित सर्किटों का उपयोग करके प्रमाणित कम्प्यूटेशनल जटिलता, उच्च-सटीक क्वांटम अवस्था निर्माण और सत्यापन योग्य फिडेलिटी प्रमाणन को एक साथ प्राप्त करती है, जिसे एक 70-क्विबिट क्लिफोर्ड सर्किट के साथ प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किया गया है जो 0.284 का स्टेट फिडेलिटी निचला स्तर (लोअर बाउंड) प्रदान करता है।
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 यह सिद्ध करने की कोशिश कर रहे हैं कि एक नई, सुपर-फास्ट रेस कार वास्तव में दुनिया की सबसे अच्छी साइकिल से तेज़ है। आप केवल यह नहीं कह सकते कि "यह तेज़ दिखती है"; आपको वास्तव में उनकी दौड़ लगानी होगी। लेकिन यहाँ एक पेंच है: रेस कार इतनी जटिल और नाजुक है कि यदि आप इसे बहुत तेज़ चलाते हैं, तो यह बिखरने लगती है, और यदि आप एक मानक स्टॉपवॉच के साथ अपनी गति मापने की कोशिश करते हैं, तो स्टॉपवॉच खुद टूट सकती है या गलत रीडिंग दे सकती है। यह क्वांटम कंप्यूटिंग की वर्तमान स्थिति है। वैज्ञानिकों ने सैकड़ों छोटे "क्यूबिट्स" (qubits) वाली मशीनें बनाई हैं जो सामान्य कंप्यूटरों के लिए असंभव गणनाएँ कर सकती हैं, लेकिन ये मशीनें शोर (noisy) भरी हैं और त्रुटियों के प्रति संवेदनशील हैं। बड़ा सवाल यह है: हम यह कैसे साबित करें कि हम वास्तव में एक क्वांटरल गणना कर रहे हैं जिसे एक क्लासिकल कंप्यूटर कॉपी नहीं कर सकता, बिना मशीन की अपनी गलतियों के प्रमाण को खराब किए?
इस समाधान को समझने के लिए, हमें कुछ बातें जाननी होंगी। पहला, "सैंपलिंग" (sampling) एक अजीब, बहु-मुखी पासे को लाखों बार फेंकने जैसा है यह देखने के लिए कि कौन से नंबर आते हैं। क्वांटम कंप्यूटर इन पासे फेंकने में बहुत अच्छे होते हैं, उन तरीकों से जो सामान्य कंप्यूटरों के लिए भविष्यवाणी करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। दूसरा, "फिडेलिटी" (fidelity) बस एक फैंसी शब्द है जिसका अर्थ है "परिणाम उम्मीद के कितने करीब है।" यदि क्वांटम कंप्यूटर शोर भरा है, तो फिडेलिटी "कम" होगी, जैसे कि एक धुंधली फोटो। अंत में, "एरर डिटेक्शन" (error detection) एक तरीका है यह जाँचने का कि क्या मशीन ने दौड़ के दौरान कोई गलती की। यदि उसने गलती की, तो हम उस विशिष्ट दौड़ के परिणाम को फेंक सकते हैं और फिर से प्रयास कर सकते हैं, केवल साफ परिणामों को रख सकते हैं। चुनौती यह रही है कि त्रुटियों की जाँच करने वाले तरीके अक्सर क्वांटम कंप्यूटर को बहुत धीमा या बहुत सरल बना देते हैं, जबकि बहुत कठिन समस्याएँ आमतौर पर त्रुटियों की जाँच करने के लिए बहुत अव्यवस्थित होती हैं।
यह शोध पत्र इस पहेली को सुलझाने का एक चतुर नया तरीका पेश करता है। शोधकर्ताओं ने, IBM के क्वांटम प्रोसेसरों के साथ काम करते हुए, एक विशेष प्रकार का क्वांटम सर्किट बनाया जो क्लासिकल कंप्यूटरों के लिए सिम्युलेट करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है और जिसमें एक अंतर्निहित "सत्य डिटेक्टर" (truth detector) भी है। वे इस पद्धति को "डॉप्ड क्लिफोर्ड सैंपलिंग" (Doped Clifford Sampling - DCS) कहते हैं। एक मानक क्वांटम सर्किट को एक विशाल, पूरी तरह से सममित (symmetrical) स्नोफ्लेक की तरह समझें। यह सुंदर है और इसे समझाना आसान है, लेकिन एक क्लासिकल कंप्यूटर आसानी से समझ सकता है कि यह कैसा दिखता है। इसे कठिन बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने उस स्नोफ्लेक में कुछ विशेष, अव्यवस्थित सामग्रियां (जिन्हें T-gates कहा जाता है) मिला दीं जो उसकी समरूपता को तोड़ देती हैं। यह पैटर्न इतना जटिल बना देता है कि कोई सुपरकंप्यूटर भी इसके परिणाम की भविष्यवाणी नहीं कर सकता।
यहाँ असली जादू यह था कि उन्होंने परिणाम को कैसे सत्यापित किया। आमतौर पर, वे अव्यवस्थित सामग्रियां जोड़ने से यह असंभव हो जाता है कि मशीन सही ढंग से काम कर रही है या नहीं। लेकिन टीम ने एक विशेष "स्पेसटाइम कोड" का उपयोग किया, जो स्नोफ्लेक को एक सुरक्षात्मक, स्वयं-जाँच करने वाले जाल में लपेटने जैसा है। इस जाल में सेंसर (जिन्हें सिंड्रोम कहा जाता है) हैं जो यह बता सकते हैं कि क्या दौड़ के दौरान स्नोफ्लेक का कोई हिस्सा टूट गया है। यदि सेंसर कहते हैं "सब ठीक है," तो वे परिणाम को रखते हैं; यदि वे कहते हैं "टूटा हुआ है," तो वे उसे फेंक देते हैं। क्योंकि अव्यवस्थित सामग्रियां बहुत विशिष्ट स्थानों पर जोड़ी गई थीं जो जाल को नहीं तोड़ती हैं, टीम यह सिद्ध कर सकी कि "सब ठीक है" वाले परिणाम वास्तव में उच्च-गुणवत्ता वाले क्वांटम स्टेट थे।
अपने प्रयोग में, उन्होंने 70 क्यूबिट्स (रेस कार के पहिए) वाला एक सर्किट बनाया और इसे 70 स्टेप्स गहरा चलाया, जिसमें वे 468 विशेष "अव्यवस्थित" T-gates जोड़े गए। उन्होंने अपने सुरक्षात्मक जाल को बनाने के लिए कुल 97 भौतिक क्यूबिट्स का उपयोग किया। गलतियों को छानने के बाद, वे एक ऐसा क्वांटम स्टेट बनाने में सफल रहे जिसका "फिडेलिटी लोअर बाउंड" (fidelity lower bound) 0.284 था। इसका मतलब है कि वे 95% आश्वस्त हैं कि उन्हें जो परिणाम मिला है वह आदर्श, सैद्धांतिक परिणाम के कम से कम 28.4% समान है। हालांकि यह सुनने में कम लग सकता है, लेकिन शोर भरे क्वांटम कंप्यूटरों की दुनिया में, यह एक बड़ी उपलब्धि है क्योंकि यह साबित करता है कि उन्होंने सफलतापूर्वक एक जटिल, त्रुटि-जाँच वाली गणना चलाई है जिसे एक क्लासिकल कंप्यूटर नकल करने के लिए बहुत अधिक समय लेगा।
टीम ने केवल यह अनुमान नहीं लगाया कि यह काम कर रहा है; उन्होंने इसे कई तरीकों से मान्य किया। उन्होंने प्रयोग के छोटे संस्करणों की जाँच की जहाँ वे परिणामों को सीधे माप सकते थे और पाया कि उनकी पद्धति कायम रही। उन्होंने यह भी दिखाया कि उनके मशीन का "शोर" (noise) उनके सुरक्षात्मक जाल के काम करने के तरीके को नहीं बदलता है, भले ही उसमें अव्यवस्थित सामग्रियां जोड़ी गई हों। उन्होंने अनुमान लगाया कि उनके विशिष्ट प्रयोग को एक क्लासिकल कंप्यूटर पर सिम्युलेट करना वर्तमान तकनीक के लिए असंभव होगा, जिससे प्रभावी रूप से एक "क्वांटम एडवांटेज" प्रदर्शित हुआ जहाँ क्वांटम मशीन वह करती है जो क्लासिकल मशीन नहीं कर सकती, और साथ ही एक प्रमाण भी देती है जो कहता है, "हाँ, यह वास्तविक है, और यहाँ इसका प्रमाण है।"
यह कार्य एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि यह दो दुनियाओं के बीच के अंतर को पाटता है: "कठिन" समस्याओं की दुनिया जो क्वांटम वर्चस्व (quantum supremacy) सिद्ध करती हैं, और "विश्वसनीय" कंप्यूटिंग की दुनिया जिसकी हमें भविष्य के लिए आवश्यकता है। यह दिखाता है कि हमें कुछ ऐसा करने के बीच चयन करने की आवश्यकता नहीं है जो सिम्युलेट करने के लिए असंभव हो और जिसे हम वास्तव में भरोसेमंद मान सकें। इन संरचित, त्रुटि-जाँच वाले सर्किटों का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने जटिल क्वांटम गणनाओं को चलाने के लिए एक द्वार खोल दिया है जिन्हें हम वास्तव में सत्यापित कर सकते हैं, जिससे हम उस दिन के करीब पहुँच गए हैं जब क्वांटम कंप्यूटर वास्तविक दुनिया की समस्याओं को हल कर सकेंगे बिना हमें केवल उनकी बातों पर विश्वास करने के लिए मजबूर किए।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।