Real-Time FPGA-Based Multi-Parameter Feedback Stabilization of a Silicon Double Quantum Dot

कल्पना कीजिए कि आप एक मेज पर जेन्गा (Jenga) ब्लॉक्स के ढेर को संतुलित करने की कोशिश कर रहे हैं, जो लगातार हिल रही है। यदि मेज बहुत अधिक कंपन करती है, तो मीनार ढह जाएगी। अब, कल्पना कीजिए कि लकड़ी के ब्लॉकों के बजाय, आप बिजली से बने एक छोटे, अदृश्य पिंजरे के भीतर एक अकेले इलेक्ट्रॉन को संतुलित करने की कोशिश कर रहे हैं। यह क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया है, विशेष रूप से "स्पिन क्यूबिट्स" (spin qubits) का उपयोग करना—ऐसे कण जो सूचना संग्रहीत करने के लिए छोटे चुंबक की तरह कार्य करते हैं। समस्या यह है कि इन कणों के आसपास की दुनिया शोर भरी है। पास की सामग्रियों में मौजूद सूक्ष्म, अदृश्य आवेश (charges) इधर-उधर हिलते और बदलते रहते हैं, जिससे एक कम-आवृत्ति वाला "घूंघनाहट" (जिसे $1/f$ शोर के रूप में जाना जाता है) पैदा होता है, जो इलेक्ट्रॉन को उसके आदर्श स्थान से धकेल देता है। यदि इलेक्ट्रॉन खिसक जाता है, तो कंप्यूटर अपनी स्मृति खो देता है। एक उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन इलेक्ट्रॉनों को पूरी तरह से स्थिर रखने की आवश्यकता है, भले ही आसपास की दुनिया हिल रही हो। उन्हें इस बहाव (drift) को महसूस करने और इलेक्ट्रॉन को वापस केंद्र में धकेलने के लिए तुरंत प्रतिक्रिया देने के तरीके की आवश्यकता है, और यह काम शोर के हिलने से भी तेज़ होना चाहिए।

यही वह काम है जिसे करने के लिए UCLA के शोधकर्ताओं ने प्रयास किया। उन्होंने एक सिलिकॉन डबल क्वांटम डॉट (silicon double quantum dot) के लिए एक उच्च-गति वाला "ऑटोपायलट" बनाया—एक ऐसा उपकरण जो दो इलेक्ट्रॉनों को अगल-बगल कैद करता है। इन डॉट्स को स्थिर करने के पिछले प्रयास एक ऐसे मानचित्र का उपयोग करके रेस कार चलाने की तरह थे जो हर कुछ मिनटों में एक बार अपडेट होता है; जब तक मानचित्र बदलता, कार दुर्घटनाग्रस्त हो चुकी होती। टीम ने इस धीमे मानचित्र के स्थान पर एक सुपर-फास्ट, रियल-टाइम GPS का उपयोग किया। एक विशेष चिप जिसे FPGA (फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट एरे) कहा जाता है, का उपयोग करके और RF-रिफ्लेक्टोमेट्री (RF-reflectometry) तकनीक का उपयोग करके (जो धीमी विद्युत धारा की प्रतीक्षा करने के बजाय रेडियो तरंगों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन की "आवाज़" सुनती है), उन्होंने एक फीडबैक लूप बनाया जो पहले की तुलना में हजारों गुना तेज़ है। उन्होंने पाया कि यह नया सिस्टम शोर को 5 kHz तक की आवृत्ति तक दबा सकता है, जिससे उस "घूंघनाहट" को प्रभावी रूप से शांत किया जा सका जो आमतौर पर प्रयोग को खराब कर देती है। इसका मतलब यह नहीं है कि उन्होंने क्वांटम कंप्यूटिंग को अभी हल कर लिया है, लेकिन यह साबित करता है कि हम इलेक्ट्रॉन के घर को भविष्य में जटिल गणनाएं करने के लिए पर्याप्त समय तक स्थिर रख सकते हैं।

हिलती हुई मेज पर जेन्गा टावर

एक सिलिकॉन डबल क्वांटम डॉट को इलेक्ट्रॉनों के लिए बनाए गए एक बहुत ही नाजुक, दो-कमरों वाले घर के रूप में सोचें। इस घर के अंदर, दीवारें अदृश्य विद्युत क्षेत्रों से बनी हैं। क्वांटम कंप्यूटर के रूप में इस घर के काम करने के लिए, इलेक्ट्रॉनों को एक बहुत ही विशिष्ट विन्यास (configuration) में रहना होगा, जैसे कि एक सटीक जेन्गा टावर। लेकिन इस घर के नीचे की जमीन डगमगा रही है। आसपास की सामग्रियों में मौजूद सूक्ष्म, यादृच्छिक (random) आवेश लगातार बदल रहे हैं, जिससे एक कम-आवृत्ति वाला "चार्ज शोर" पैदा हो रहा है। यह शोर एक धीमी, अदृश्य हाथ की तरह है जो घर की दीवारों को लगातार धकेलता रहता है, जिससे इलेक्ट्रॉन अपने आदर्श स्थानों से दूर खिसक जाते हैं। यदि वे बहुत दूर चले जाते हैं, तो उनके द्वारा रखी गई क्वांटम सूचना बिखर जाती है और खो जाती है।

इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक "फीडबैक स्टेबिलाइज़ेशन" नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। यह एक रोबोट होने जैसा है जो लगातार जेन्गा टावर की स्थिति की जांच करता है और संतुलन बनाए रखने के लिए दीवारों में सूक्ष्म समायोजन करता है। अतीत में, यह रोबोट धीमा था। यह टावर की जांच करता, सुधार की गणना करता, और फिर उसे लागू करता, लेकिन यह प्रक्रिया इतनी लंबी थी (लगभग 0.3 Hz, या हर कुछ सेकंड में एक बार) कि जब तक रोबोट कार्य करता, टावर काफी डगमगा चुका होता। इस पेपर के शोधकर्ता एक ऐसा रोबोट बनाना चाहते थे जो विचार की गति से चल सके।

सुपर-फास्ट ऑटोपायलट

टीम ने, जिसका नेतृत्व जॉनथन ब्रायन, टिम जे. विल्सन और होंग-वेन जियांग ने किया, एक डिवाइस जिसे 'OPX by Quantum Machines' कहा जाता है, का उपयोग करके एक नए प्रकार का ऑटोपायलट बनाया। इस डिवाइस में एक शक्तिशाली चिप (एक FPGA) है जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ गणित कर सकती है। यह जानने के लिए कि इलेक्ट्रॉन कहाँ हैं, धीमी विद्युत धारा की प्रतीक्षा करने के बजाय, उन्होंने RF-रिफ्लेक्टोमेट्री नामक एक विधि का उपयोग किया।

कल्पना कीजिए कि आप एक अंधेरे कमरे में किसी विशिष्ट वस्तु को खोजने की कोशिश कर रहे हैं। उस तक पहुँचने और उसे छूने (जो धीमा है) के बजाय, आप उस पर एक गेंद फेंकते हैं और उसकी गूँज (echo) सुनते हैं। यदि वस्तु हिलती है, तो गूँज बदल जाती है। शोधकर्ताओं ने रेडियो तरंगों के साथ यही किया। उन्होंने क्वांटम डॉट से माइक्रोवेव को परावर्तित किया और "गूँज" (परावर्तित सिग्नल) को सुना। इसने उन्हें इलेक्ट्रॉनों की स्थिति को लगभग तुरंत महसूस करने की अनुमति दी।

यह प्रक्रिया "हॉट एंड कोल्ड" (hot and cold) के खेल की तरह काम करती है, लेकिन बिजली की गति से खेली जाती है:

1. सुनना: सिस्टम "गूँज" को मापता है ताकि यह देखा जा सके कि इलेक्ट्रॉन कहाँ हैं।
2. धकेलना: यह एक विद्युत दीवार (गेट वोल्टेज) को बहुत मामूली मात्रा में धकेलता है ताकि यह देखा जा सके कि गूँज कैसे बदलती है।
3. गणना करना: यह पता लगाता है कि इलेक्ट्रॉनों को वापस केंद्र में लाने के लिए किस दिशा में धकेलना है।
4. सुधार करना: यह तुरंत वोल्टेज को समायोजित करता है ताकि इलेक्ट्रॉनों को वापस धकेला जा सके।

उन्होंने एक साथ दो अलग-अलग "दीवारों" (दो पैरामीटर) के लिए यह किया, जिससे एक मल्टी-पैरामीटर फीडबैक लूप बना।

परिणाम: घूंघनाहट को शांत करना

टीम ने अपने नए सिस्टम का परीक्षण एक नकली, लयबद्ध कंपन (sinusoidal perturbation) पेश करके किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या ऑटोपायलट इसे रोक सकता है। उन्होंने पाया कि उनका सिस्टम अविश्वसनीय रूप से प्रभावी था।

• गति: वे माप, गणना और सुधार का एक पूर्ण चक्र केवल 81.8 माइक्रोसेकंड (यानी 0.0000818 सेकंड) में पूरा कर सके।
• शोर दमन (Noise Suppression): सिस्टम ने 5 kHz तक की आवृत्तियों के लिए शोर को 6 dB (ध्वनि के स्तर में एक महत्वपूर्ण गिरावट) तक सफलतापूर्वक कम कर दिया।
• तुलना: धीमी करंट माप का उपयोग करने वाले पिछले तरीकों में केवल 0.3 Hz तक के शोर को संभालने की क्षमता थी। नया तरीका आवृत्ति सीमा के मामले में लगभग 16,000 गुना तेज़ है।

पेपर स्पष्ट रूप से नोट करता है कि हालांकि यह एक बड़ा सुधार है, लेकिन यह अभी भी सब कुछ हल करने वाला कोई जादू का डंडा नहीं है। सिस्टम वर्तमान में सिग्नल को मापने की गति द्वारा सीमित है। यदि वे मापन को और भी स्पष्ट (बेहतर सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो) बना सकें, तो वे संभावित रूप से और भी तेज़ हो सकते हैं। भौतिकी के ज्ञात नियमों, जैसे कि नाइक्विस्ट-शैनन सैंपलिंग थ्योरम (Nyquist-Shannon sampling theorem) के आधार पर, उनके वर्तमान सेटअप के लिए सैद्धांतिक सीमा लगभग 6.1 kHz है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

लेखक सावधानीपूर्वक यह बताते हैं कि वे इस फीडबैक के सक्रिय रहने के दौरान क्वांटम कंप्यूटर नहीं चला सकते। डिवाइस को स्थिर करने के लिए वोल्टेज को लगातार समायोजित करने का कार्य उस नाजुक क्वांटम अवस्था को नष्ट कर देगा जिसकी गणना के लिए आवश्यकता होती है। इसके बजाय, यह सिस्टम एक "पार्किंग ब्रेक" या "स्टेबलाइजर" की तरह कार्य करता है जो डिवाइस को एक आदर्श, तैयार स्थिति में रखता है। एक बार जब डिवाइस स्थिर हो जाता है, तो फीडबैक को रोका जा सकता है, और क्वांटम गणना शुरू की जा सकती है।

यह कार्य बताता है कि हम उस दिन के करीब पहुँच रहे हैं जब हम क्वांटम डॉट्स के बड़े एरे (arrays) बना सकेंगे जो लंबे समय तक स्थिर रहेंगे। उन कम-आवृत्ति वाले शोर को नियंत्रित करके जिसने वर्षों से इन प्रणालियों को परेशान किया है, यह उच्च-गति फीडबैक लूप एक महत्वपूर्ण कदम है ताकि ऐसे क्वांटम कंप्यूटर बनाए जा सकें जो केवल एक पल के लिए नहीं, बल्कि विश्वसनीय रूप से जटिल गणनाएं कर सकें। पेपर निष्कर्ष निकालता है कि अगला कदम यह परीक्षण करना है कि यह "इंटरलीव्ड" (interleaved) दृष्टिकोण (स्थिर करना, फिर गणना करना, फिर फिर से स्थिर करना) वास्तविक क्वांटम सूचना की गुणवत्ता को कैसे प्रभावित करता है, लेकिन फिलहाल, उन्होंने सिद्ध कर दिया है कि "ऑटोपायलट" काम करता है, और यह बहुत तेज़ काम करता है।