Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits
यह शोध पत्र एक FPGA-आधारित अनुकूली स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक प्रस्तुत करता है जो सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स में परजीवी टू-लेवल-सिस्टम दोषों के तेज़, टेलीग्राफिक स्विचिंग और स्पेक्ट्रल डिफ्यूजन को प्रकट करने के लिए सब-सेकंड टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करता है, जो कि पारंपरिक एक घंटे के मापन के लिए अप्राप्य रहा है और गेट-लेवल त्रुटियों को समझने के लिए महत्वपूर्ण 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 एक कॉन्सर्ट हॉल में वायलिन पर बज रहे एक एकल, पूर्ण स्वर को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। अब, कल्पना कीजिए कि वह हॉल हजारों छोटे, अदृश्य भूतों से भरा हुआ है। ये भूत डरावने नहीं हैं; वे बस बहुत बेचैन हैं। हर कुछ सेकंड में, उनमें से एक वायलिन के तार पर कूद सकता है, जिससे स्वर की पिच थोड़ी सी बदल जाती है, या ध्वनि को उम्मीद से कहीं अधिक तेज़ी से फीका कर देता है। क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, ये "भूत" वास्तविक हैं। इन्हें टू-लेवल सिस्टम्स (TLS) कहा जाता है, और ये उन सामग्रियों के भीतर छिपे हुए सूक्ष्म दोष (defects) हैं जिनसे क्वांटम कंप्यूटर बने होते हैं।
क्वांटम कंप्यूटर अगली बड़ी तकनीकी छलांग हैं, जो उन समस्याओं को हल करने का वादा करते हैं जो आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। वे अपना गणित करने के लिए "क्यूबिट्स" (क्वांटम बिट्स) का उपयोग करते हैं। लेकिन क्यूबिट्स अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। यदि कोई क्यूबिट अपनी ऊर्जा खो देता है या शोर (noise) से भ्रमित हो जाता है, तो गणना विफल हो जाती है। वर्षों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि ये TLS दोष ही मुख्य कारण हैं जिससे क्यूबिट्स अपनी ऊर्जा खो देते हैं और गलतियाँ करते हैं। समस्या यह है कि ये दोष बहुत चालाक हैं। वे इधर-उधर घूमते हैं, अपनी फ्रीक्वेंसी बदलते हैं, और चालू या बंद होते रहते हैं। अब तक, इनका अध्ययन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण ऐसे थे जैसे एक ऐसे कैमरे से हमिंगबर्ड (गुंजन करने वाले पक्षी) की फोटो लेने की कोशिश कर रहे हों जो हर घंटे एक फोटो लेता है। जब तक फोटो विकसित होती, पक्षी उड़ चुका होता, अपना रंग बदल चुका होता और जा चुका होता। तब तक हमें पता था कि भूत वहाँ हैं, लेकिन हम उन्हें रंगे हाथों नहीं पकड़ पाते थे।
यहीं पर शोधकर्ताओं की एक नई टीम एक चतुर तरकीब के साथ आती है। उन्होंने इन क्वांटम भूतों के लिए एक "सुपर-स्पीड कैमरा" बनाया है। इन दोषों को देखने के लिए घंटों इंतज़ार करने के बजाय, वे एक स्मार्ट, अडैप्टिव (अनुकूलन योग्य) सिस्टम का उपयोग करते हैं जो प्रति सेकंड हजारों बार अपने अनुमानों को अपडेट करता है। इस नई पद्धति के साथ, उन्होंने पाया कि ये दोष हमारी सोच से कहीं अधिक सक्रिय हैं। उन्होंने पाया कि कुछ दोष केवल कुछ ही सेकंड में अपना व्यवहार बदल देते हैं, और अन्य किसी नशे में धुत व्यक्ति की तरह इधर-उधर डगमगाते हुए चलते हैं, जो पहले देखे गए किसी भी मूवमेंट से कहीं अधिक तेज़ है।
यहाँ उनकी खोज की कहानी है, जिसे एक जिज्ञासु किशोर की भाषा में बताया गया है।
द घोस्ट्स इन द मशीन (मशीन के भीतर के भूत)
एक सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट को एक बहुत ही संवेदनशील रेडियो स्टेशन की तरह समझें। यह एक विशिष्ट फ्रीक्वेंसी पर प्रसारित करता है, जैसे कि 5.1 गीगाहर्ट्ज़। अपना काम करने के लिए, इसे उसी सटीक फ्रीक्वेंसी पर ट्यून रहने की आवश्यकता होती है। लेकिन रेडियो के अंदर, इंसुलेशन और धातु में छोटे, अदृश्य "दोष" (TLSs) छिपे होते हैं। कभी-कभी, एक दोष उसी फ्रीक्वेंसी पर ट्यून करने का निर्णय लेता है जिस पर रेडियो चल रहा है। जब ऐसा होता है, तो रेडियो विचलित हो जाता है। यह अपनी ऊर्जा उस दोष को दे देता है, और सिग्नल फीका पड़ जाता है। इसे "रिलैक्सेशन" (relaxation) कहा जाता है, और यही क्वांटम कंप्यूटिंग का दुश्मन है।
लंबे समय तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि ये दोष ज्यादातर स्थिर होते हैं। उनका मानना था कि यदि आप किसी दोष को देखते हैं, तो वह घंटों तक एक ही जगह रहेगा, या आकाश में बादलों की तरह धीरे-धीरे घूमेगा। यदि आप यह मैप करना चाहते थे कि ये दोष कहाँ हैं और कैसे चलते हैं, तो आपको घंटों तक रेडियो फ्रीक्वेंसी को स्कैन करना पड़ता था। यह एक शहर का नक्शा बनाने जैसा था जिसमें आप दिन में केवल एक बार घूमकर आते हैं; आप सभी ट्रैफिक जाम और भागते-दौड़ते लोगों को मिस कर देते।
"स्मार्ट कैमरा" की सफलता
इस पेपर में काम करने वाले शोधकर्ताओं ने, MIT और विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय द्वारा बनाए गए उपकरणों के साथ मिलकर, इन भूतों को देखने का एक बेहतर तरीका बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशेष प्रकार के क्यूबिट का उपयोग किया जो चलते-फिरते अपनी फ्रीक्वेंसी बदल सकता है, जैसे कि एक ऐसा रेडियो जो तुरंत किसी भी स्टेशन पर ट्यून हो सके। उन्होंने एक सुपर-फास्ट कंप्यूटर चिप, जिसे FPGA (फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट एरे) कहा जाता है, का उपयोग ऑपरेशन के मस्तिष्क के रूप में किया।
केवल एक स्थान को लंबे समय तक देखने के बजाय, उनका सिस्टम "अडैप्टिव" है। कल्पना कीजिए कि आप एक छिपी हुई वस्तु को खोजने के लिए "हॉट एंड कोल्ड" खेल खेल रहे हैं। एक सामान्य खिलाड़ी एक जगह चेक करेगा, एक मिनट इंतजार करेगा, फिर दूसरी जगह चेक करेगा। यह नया सिस्टम एक जीनियस खिलाड़ी की तरह है जो हर एक अनुमान के बाद, तुरंत गणना करता है कि वस्तु अगली बार कहाँ होने की सबसे अधिक संभावना है और तुरंत वहीं पहुँच जाता है।
उन्होंने इस पद्धति का उपयोग क्यूबिट की फ्रीक्वेंसी रेंज को स्कैन करने के लिए किया। हर बार जब उन्होंने एक फ्रीक्वेंसी चेक की, तो सिस्टम ने मापा कि क्यूबिट कितनी तेज़ी से अपनी ऊर्जा खो रहा था। यदि ऊर्जा का नुकसान अचानक बढ़ जाता, तो इसका मतलब था कि वहाँ एक दोष मौजूद था। क्योंकि सिस्टम बहुत तेज़ था, यह एक सेकंड से भी कम समय में पूरी फ्रीक्वेंसी रेंज का "स्नैपशॉट" ले सकता था। इसे बार-बार दोहराकर, उन्होंने दोषों के एक्शन की एक मूवी बनाई।
आश्चर्य: भूत अति-सक्रिय हैं
जब उन्होंने मूवी देखी, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। उन्होंने पाया कि दो मुख्य प्रकार के "भूतिया" व्यवहार हो रहे थे जो हमारी अपेक्षा से बहुत अधिक तेज़ थे।
1. टेलीग्राफ स्विच (Telegraph Switch):
कुछ दोष एक लाइट स्विच की तरह काम कर रहे थे जिसे किसी घबराए हुए हाथ द्वारा बार-बार ऑन या ऑफ किया जा रहा हो। दोष एक फ्रीक्वेंसी पर बैठता था, जिससे क्यूबिट अपनी ऊर्जा खो देता था, और फिर अचानक—पफ!—वह दूसरी फ्रीक्वेंसी पर कूद जाता था। शोधकर्ताओं ने मापा कि ये जंप लगभग 2.2 सेकंड के विशिष्ट समय के साथ होते थे।
इसे एक लाइटहाउस की बीम की तरह समझें जो अचानक दूसरी दिशा में मुड़ जाती है। अतीत में, वैज्ञानिकों ने सोचा था कि ये स्विच घंटों में होते हैं। यह पता चलना कि ये सेकंडों में होते हैं, इसका मतलब है कि क्वांटम कंप्यूटर का वातावरण हमारी सोच से कहीं अधिक अराजक है। यह ऐसा है जैसे यह महसूस करना कि जिस कमरे में आप बैठे हैं, वह वास्तव में लगातार एक कुर्सी से दूसरी कुर्सी पर कूदने वाले लोगों से भरा हुआ है, न कि केवल शांत बैठे हुए लोगों से।
2. ड्रंकन वॉक (Drunken Walk - स्पेक्ट्रल डिफ्यूजन):
अन्य दोष केवल कूदते नहीं थे; वे भटकते थे। वे फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम में धीरे-धीरे डगमगाते हुए चलते थे, जैसे कोई नशे में धुत व्यक्ति सड़क पर लड़खड़ाते हुए चलता है। शोधकर्ताओं ने उनकी भटकने की गति को मापा और पाया कि उनकी "डिफ्यूसिविटी" (भटकने की दर) लगभग 0.9 MHz² s⁻¹ थी।
सबसे बड़ी बात यह है: यह भटकने की गति पिछले प्रयोगों की तुलना में लगभग 300 गुना तेज़ थी, जो घंटों तक चलने वाले प्रयोग थे। वास्तव में, वे धीमे, घंटों लंबे माप ही तस्वीर को "धुंधला" (blurring) कर रहे थे। सब कुछ लंबे समय तक औसत (average) निकालने के चक्कर में, वैज्ञानिकों ने यह तथ्य मिस कर दिया कि दोष वास्तव में बहुत तेज़ी से घूम रहे थे। यह एक धुंधली खिड़की से तेज़ कार को देखने जैसा है; यदि आप लंबे समय तक देखते हैं, तो कार केवल एक धुंधले निशान जैसी दिखती है। लेकिन यदि आपके पास एक तेज़ कैमरा है, तो आप उसकी गति देख सकते हैं।
यह आपके भविष्य के कंप्यूटर के लिए क्यों मायने रखता है
आप सोच सकते हैं, "तो क्या हुआ? यह तो बस कुछ सेकंड की बात है।" लेकिन क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, समय ही सब कुछ है।
शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या इन तेज़ गति से चलने वाले भूतों ने वास्तव में कंप्यूटर के लॉजिक में त्रुटियां पैदा कीं। उन्होंने "रैंडमाइज्ड बेंचमार्किंग" नामक एक परीक्षण चलाया, जो कंप्यूटर के मस्तिष्क के लिए एक स्ट्रेस टेस्ट की तरह है। उन्होंने एक गहरा संबंध पाया: जब एक दोष सक्रिय होता था और क्यूबिट को तेज़ी से ऊर्जा खोने के लिए मजबूर करता था, तो कंप्यूटर अपनी गणनाओं में अधिक गलतियाँ करता था। यह सहसंबंध (correlation) बहुत मजबूत था, जिसका मान 0.618 था, जिसका अर्थ है कि भूत निश्चित रूप से काम में बाधा डाल रहे थे।
यह क्वांटम कंप्यूटरों को बनाने और ठीक करने के तरीके को बदल देता है। लंबे समय तक, योजना इन कंप्यूटरों को हर कुछ घंटों में कैलिब्रेट (ट्यून अप) करने की थी। लेकिन यदि दोष हर कुछ सेकंड में इधर-उधर कूद रहे हैं, तो हर कुछ घंटों में ट्यून अप करना 100 मील प्रति घंटे की रफ्तार से दौड़ रही कार के इंजन को ठीक करने जैसा है। आप समस्या को पकड़ ही नहीं पाएंगे।
यह पेपर सोचने का एक नया तरीका सुझाता है। कंप्यूटर को दिन में एक बार चेक करने के बजाय, हमें इसे लगातार, रियल-टाइम में चेक करने की आवश्यकता हो सकती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके तेज़ "स्मार्ट कैमरा" का उपयोग इन समस्याओं को होते ही पकड़ने के लिए किया जा सकता है। यदि सिस्टम देखता है कि कोई दोष बहुत अधिक परेशानी पैदा कर रहा है, तो वह गणना को रोक सकता है या उस भूत से बचने के लिए फ्रीक्वेंसी को एडजस्ट कर सकता है।
निष्कर्ष (The Bottom Line)
इस पेपर ने केवल एक नए प्रकार के दोष को नहीं खोजा; इसने यह खोजा कि हमारे ज्ञात दोष पहले की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जावान और अप्रत्याशित हैं। वे स्थिर भूत नहीं हैं; वे अति-सक्रिय नर्तक हैं।
शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि तेज़, अडैप्टिव माप का उपयोग करके, हम इन नृत्यों को रियल-टाइम में देख सकते हैं। उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि ये तेज़ हरकतें केवल एक इत्तेफाक या उपकरणों की गलती हैं; उन्होंने दो अलग-अलग लैब में बने दो अलग-अलग उपकरणों में एक ही व्यवहार देखा। उन्होंने अभी तक इन दोषों की समस्या को हल नहीं किया है—हमें अभी भी ठीक से नहीं पता कि ये दोष किस चीज़ से बने हैं या उन्हें पूरी तरह से कैसे हटाया जाए। लेकिन उन्होंने इन दोषों के कहाँ और कैसे होने का पहला स्पष्ट, हाई-स्पीड मैप प्रदान किया है।
यह कुछ ऐसा है जैसे यह पता लगाना कि पुराने टीवी पर आने वाला "स्टैटिक" केवल रैंडम शोर नहीं है, बल्कि बहुत सारे छोटे, तेज़ चलते जीव हैं। अब जबकि हम जानते हैं कि वे वहाँ हैं और हम जानते हैं कि वे कितनी तेज़ी से चलते हैं, तो हम आखिरकार उन्हें रोकने के लिए बेहतर ढाल (shields) बनाना शुरू कर सकते हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग के भविष्य के लिए, यह एक बड़ा कदम है: हम अब इन भूतों को अनदेखा नहीं कर सकते, लेकिन अब, आखिरकार, हमारे पास उन्हें पकड़ने के उपकरण हैं।
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