A 12-CNOT Double Qubit Excitation Gate

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ कंप्यूटर केवल नंबरों की गणना ही नहीं करते, बल्कि वास्तविकता के ताने-बाने के साथ नृत्य भी करते हैं। यह क्वांटम कंप्यूटिंग का क्षेत्र है, जो एक ऐसा क्षेत्र है जो उन समस्याओं को हल करने का वादा करता है जो आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए बहुत जटिल हैं। लेकिन यहाँ एक पेंच है: ये क्वांटम मशीनें अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं। इन्हें काम करने के योग्य बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को "गेट्स" (gates) बनाने होते हैं, जो एक क्वांटम सर्किट के स्विच और लीवर्स की तरह होते हैं। इन गेट्स को एक रेसिपी के निर्देशों की तरह समझें; यदि आप बहुत अधिक चरणों या गलत उपकरणों का उपयोग करते हैं, तो नाजुक सामग्री (क्वांटम जानकारी) डिश तैयार होने से पहले ही खराब हो जाती है। इस रेसिपी में सबसे महत्वपूर्ण, फिर भी पेचीदा सामग्रियों में से एक है जिसे "डबल क्यूबिट एक्साइटेशन" (double qubit excitation) कहा जाता है। यह कणों के दो जोड़ों के बीच ऊर्जा को बदलने वाला एक विशिष्ट कदम है, जो यह सिम्युलेट करने के लिए एक महत्वपूर्ण चरण है कि अणु कैसे व्यवहार करते हैं, जिससे हमें नई दवाएं या बेहतर बैटरी खोजने में मदद मिल सकती है। चुनौती हमेशा यह रही है कि इस स्वैप (swap) को कम से कम "CNOT" गेट्स का उपयोग करके कैसे किया जाए—जो कि एक प्रकार का क्वांटम निर्देश है जिसे पूरी तरह से निष्पादित करना बेहद कठिन होता है। आप जितने कम CNOT का उपयोग करेंगे, कंप्यूटर द्वारा गलती करने की संभावना उतनी ही कम होगी, जिससे पूरी प्रक्रिया तेज़ और अधिक विश्वसनीय हो जाएगी।

इस शोध पत्र में, कोपेनहेगन के एक शोधकर्ता इरफ़ानशा शेख एक चतुर नया तरीका प्रस्तुत करते हैं जिससे इस पेचीदा डबल क्यूबिट स्वैप को किया जा सके। लंबे समय तक, इस गेट को बनाने के लिए सबसे अच्छी ज्ञात विधि में उन कठिन 13 CNOT निर्देशों की आवश्यकता होती थी। यह 13 पत्थरों के माध्यम से नदी पार करने की कोशिश करने जैसा था; आप पार तो कर सकते थे, लेकिन यह जोखिम भरा और धीमा था। शेख ने अब एक नया सर्किट डिज़ाइन खोजा है जो ठीक वही काम केवल 12 CNOTs का उपयोग करके करता है। परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, कल्पना करें कि आपको एक लंबे, घुमावदार भूलभुलैया में एक पूरा कदम बचाने वाला शॉर्टकट मिल गया है। यह नया डिज़ाइन न केवल एक कदम बचाता है; यह उस समय को भी कम करता है जिसकी आवश्यकता कंप्यूटर को समस्या के बारे में सोचने के लिए होती है ("डेप्थ") और पूरी रेसिपी में कुल चरणों की संख्या को पिछले किसी भी प्रयास की तुलना में कम रखता है। जबकि लेखक नोट करते हैं कि यह पहली बार है जब ऐसा 12-CNOT संस्करण रिपोर्ट किया गया है, वे यह भी बताते हैं कि यह पिछले सबसे कुशल डिज़ाइनों की तुलना में केवल दो अतिरिक्त सरल "वन-क्यूबिट" (one-qubit) मूव जोड़ता है, जो इसे एक बहुत ही संतुलित और व्यावहारिक सुधार बनाता है।

यह शोध पत्र हमें बताता है कि वे वहां तक कैसे पहुंचे। सबसे पहले, उन्होंने "मानक" तरीके को देखा, जिसमें पूरे 48 CNOT लगते, जो 48 पत्थरों से पुल बनाने की कोशिश करने जैसा था—जो बहुत भारी और धीमा है। फिर, उन्होंने "स्टेट-ऑफ-द-आर्ट" (वर्तमान सर्वोत्तम) तरीकों की जांच की, जो पहले से ही 13 CNOTs तक कम किए जा चुके थे। पिछली विधियाँ इंजीनियरों की विभिन्न टीमों द्वारा पुल को अनुकूलित करने के प्रयासों की तरह थीं, लेकिन वे सभी 13 पत्थरों पर आकर रुक गईं। शेख ने सर्किट को व्यवस्थित करने के विभिन्न तरीकों का पता लगाने के लिए विभिन्न डिजिटल उपकरणों और गणितीय युक्तियों का उपयोग किया। उन्होंने एक नया अरेंजमेंट पाया जो उस अंतिम, जिद्दी CNOT को हटा देता है।

परिणामस्वरूप एक ऐसा सर्किट मिलता है जो न केवल CNOTs की संख्या के मामले में छोटा है (13 के बजाय 12) बल्कि चलाने में भी तेज़ है। नए डिज़ाइन की "CNOT डेप्थ" 10 है, जिसका अर्थ है कि इन कठिन चरणों की सबसे लंबी श्रृंखला पिछले संस्करणों की तुलना में छोटी है। पूरे सर्किट की कुल लंबाई केवल 16 चरण है, जो अब तक का सबसे कम दर्ज किया गया आंकड़ा है। हालांकि यह पत्र यह दावा नहीं करता है कि यह ब्रह्मांड की समस्याओं का अंतिम उत्तर है, यह इस 12-CNOT सर्किट को पहले के मुकाबले एक महत्वपूर्ण, सत्यापित सुधार के रूप में प्रस्तुत करता है। यह एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण कदम है, जो यह सिद्ध करता है कि सही रचनात्मक दृष्टिकोण के साथ, हम क्वांटम कंप्यूटरों को थोड़ा अधिक कुशल और थोड़ा कम त्रुटिपूर्ण बना सकते हैं।