On-chip generation of multi-qubit graph states with high-dimensional encoded single photons

कल्पना कीजिए कि आप लेगो ब्रिक्स (LEGO bricks) से एक विशाल, जटिल महल बनाने की कोशिश कर रहे हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, ये "ईंटें" प्रकाश के सूक्ष्म कण हैं जिन्हें फोटॉन (photons) कहा जाता है, और "महल" कनेक्शनों का एक जटिल जाल है जिसे 'एंटैंगल्ड स्टेट' (entangled state) के रूप में जाना जाता है। यह क्वांटम सूचना विज्ञान का खेल का मैदान है, एक ऐसा क्षेत्र जिसका लक्ष्य उन समस्याओं को हल करना है जिन्हें हल करने में हमारे वर्तमान सुपरकंप्यूटरों को अनंत काल लग जाएगा, और इसके लिए बहुत ही सूक्ष्म स्तर के अजीब नियमों का उपयोग करना है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: खेलने के लिए पर्याप्त फोटॉन प्राप्त करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। यह ऐसा है जैसे आप हर कुछ घंटों में आसमान से एक दुर्लभ ईंट गिरने का इंतज़ार करते हुए अपना महल बनाने की कोशिश कर रहे हों। वैज्ञानिक एक साथ कई फोटॉन का उपयोग करके इसे हल करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन यह एक साथ सौ गिरती हुई ईंटों को पकड़ने की कोशिश करने जैसा है; वे अक्सर चूक जाते हैं, या पूरा ढेर ढह जाता है।

इस समस्या से बचने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक चतुर तरकीब का पता लगाया है: कई ईंटों का इंतज़ार करने के बजाय, क्या होगा यदि हम एक ही ईंट से कई लोगों का काम करवा सकें? फोटॉन विशेष होते हैं क्योंकि उनके अलग-अलग "स्वाद" (flavors) या कंपन करने, हिलने या अस्तित्व में रहने के अलग तरीके होते हैं, जिसे 'डिग्री ऑफ फ्रीडम' (degrees of freedom) कहा जाता है। एक फोटॉन को केवल एक एकल मनके के रूप में नहीं, बल्कि एक जादुई मनके के रूप में सोचें जो एक ही समय में कई रंगों में रंगा जा सकता है, कई आकारों में ढला जा सकता है, और कई स्थानों पर मौजूद हो सकता है। एक ही फोटॉन के इन विभिन्न "स्वादों" में जानकारी को एनकोड करके, वैज्ञानिक एक छोटे से कण में बहुत सारा डेटा भर सकते हैं। यह शोध पत्र इस बारे में है कि कैसे हम इस "सुपर-ब्रिक" रणनीति का उपयोग करके, फोटॉन्स के पहाड़ की आवश्यकता के बिना, बड़े और अधिक जटिल क्वांटम ढांचे बना सकते हैं।

शोधकर्ता, जो सिलिकॉन चिप्स के साथ काम कर रहे हैं जो प्रकाश को छोटे राजमार्गों की तरह निर्देशित करते हैं, इन जटिल क्वांटम अवस्थाओं को उत्पन्न करने का एक नया तरीका प्रस्तावित करते हैं। कई फोटॉन एक साथ बनाने के संघर्ष के बजाय, वे फोटॉनों के एक छोटे समूह को लेते हैं और एक "हाई-डायमेंशनल" (high-dimensional) तरकीब का उपयोग करके प्रत्येक को कई सूचनाओं को धारण करने के लिए फैला देते हैं। कल्पना कीजिए कि आप ऊन के एक ही धागे को एक जटिल ओरिगामी आकार में मोड़ रहे हैं जो लोगों की एक पूरी टीम का प्रतिनिधित्व करता है। अपने प्रयोग में, उन्होंने चार फोटॉनों को लेने के लिए एक प्रोग्राम करने योग्य सिलिकॉन चिप का उपयोग किया, और उनके पथों को हेरफेर करके और उन्हें एक विशिष्ट, स्तरित तरीके से मापकर, उन्हें एक विशाल 16-क्यूबिट क्वांटम अवस्था (एक "क्यूबिट" नियमित कंप्यूटर के बिट की तरह क्वांटम सूचना की मूल इकाई है) में बदल दिया।

टीम ने इसे दो विशिष्ट प्रकार के क्वांटम "महलों" का निर्माण करके प्रदर्शित किया। सबसे पहले, उन्होंने एक ग्रीनबर्गर-हॉर्न-ज़िलिंगर (GHZ) स्टेट बनाई, जो एक विशेष प्रकार का अत्यधिक जुड़ा हुआ समूह है जहाँ यदि आप एक हिस्से को बदलते हैं, तो पूरी चीज़ तुरंत बदल जाती है। उन्होंने केवल चार फोटॉनों का उपयोग करके इस अवस्था का 10-क्यूबिट संस्करण बनाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि "एक फोटॉन, कई काम" वाला विचार काम करता है। उन्होंने इस अवस्था की गुणवत्ता को मापा और पाया कि यह अविश्वसनीय रूप से सटीक थी, जिसमें 4-क्यूबिट संस्करण के लिए "फिडेलिटी" (एक स्कोर जो आदर्श सैद्धांतिक संस्करण के करीब होने को दर्शाता है) 0.961 थी। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि उन्होंने सत्यापित किया कि उनकी 10-क्यूबिट अवस्था वास्तव में एंटैंगल्ड (entangled) थी, जो पारंपरिक तरीकों से लगभग असंभव होता क्योंकि 10 फोटॉनों के एक साथ काम करने की संभावना इतनी कम है कि इसे देखने में ब्रह्मांड की आयु से भी अधिक समय लग जाएगा।

दूसरे, उन्होंने इसी दृष्टिकोण का उपयोग करके केवल एक सिंगल फोटॉन के साथ एक "क्लस्टर स्टेट" (cluster state) बनाया। इस प्रकार की अवस्था "वन-वे क्वांटम कंप्यूटिंग" नामक एक विशिष्ट प्रकार की क्वांटम कंप्यूटिंग का ईंधन है। उन्होंने दिखाया कि यह सिंगल-फोटॉन क्लस्टर स्टेट इतनी उच्च गुणवत्ता (0.991 की फिडेलिटी के साथ) का था कि वे इसका उपयोग ग्रोवर के एल्गोरिदम (Grover's algorithm) नामक एक प्रसिद्ध खोज एल्गोरिदम को चलाने के लिए कर सकते थे। अपने परीक्षण में, चिप ने चार संभावनाओं वाले डेटाबेस में एक "चिह्नित" (marked) आइटम को 98.7% की सफलता दर के साथ सफलतापूर्वक खोज लिया।

यह शोध पत्र तर्क देता है कि यह विधि एक साथ बड़ी संख्या में फोटॉन उत्पन्न करने की तुलना में आगे बढ़ने का एक बहुत अधिक कुशल मार्ग है। जबकि पारंपरिक तरीके स्केल अप करते समय कम दक्षता और उच्च त्रुटि दर के साथ संघर्ष करते हैं, यह "हाई-डायमेंशनल एनकोडिंग" दृष्टिकोण उन्हें कम संसाधनों के साथ बड़ी और अधिक जटिल अवस्थाएँ बनाने की अनुमति देता है। लेखक सुझाव देते हैं कि इस तकनीक के साथ, अंततः एक ही चिप पर सैकड़ों क्यूब्स वाली क्वांटम अवस्थाएँ बनाना संभव हो सकता है। उन्होंने केवल सुझाव नहीं दिया; उन्होंने सर्किट बनाए, प्रयोग चलाए और परिणामों को मापा, यह दिखाते हुए कि "ओरिगामी फोटॉन" रणनीति क्वांटम कंप्यूटिंग की सबसे बड़ी बाधाओं में से एक का एक वास्तविक, कामकाजी समाधान है।