Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array
यह शोधपत्र एक उच्च-थ्रूपुट न्यूट्रल-एटम क्वांटम प्रोसेसर का प्रदर्शन करता है जो चिप-आधारित फोटोनिक इंटरफेस को गैर-विनाशकारी रीडआउट और परमाणु पुन: उपयोग के साथ एकीकृत करके 101 Hz सर्किट इटरेशन दर और 57.7 Hz सामान्यीकृत फिशर सूचना दर प्राप्त करता है, जिससे पारंपरिक तरीकों की तुलना में सूचना थ्रूपुट में एक क्रम से अधिक का सुधार होता 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
एक व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज ने वैज्ञानिकों को सूचना की सबसे छोटी इकाइयों, जिन्हें क्वबिट्स (qubits) कहा जाता है, को थामने और नियंत्रित करने के कई अलग-अलग तरीकों को तलाशने के लिए प्रेरित किया है। एक आशाजनक दृष्टिकोण व्यक्तिगत परमाणुओं का उपयोग करता है, जिन्हें प्रकाश की किरणों द्वारा एक निर्वात (vacuum) में लटकाया जाता है, ताकि वे इन क्वबिट्स के रूप में कार्य कर सकें। ये न्यूट्रल-एटम एरे (neutral-atom arrays) इसलिए आकर्षक हैं क्योंकि इन्हें हजारों परमाणुओं को रखने के लिए बढ़ाया जा सकता है, और परमाणुओं को अत्यधिक सटीकता के साथ इधर-उधर घुमाया जा सकता है। हालाँकि, वर्षों तक, एक बड़ी बाधा ने उनकी प्रगति को धीमा कर दिया था। जबकि परमाणुओं को बहुत तेज़ी से नियंत्रित किया जा सकता था, उनके राज्य (state) की जाँच करने और उन्हें अगले चरण के लिए तैयार करने की प्रक्रिया बेहद धीमी थी। पारंपरिक रूप से, एक परमाणु की स्थिति को पढ़ने के लिए एक ऐसी विधि की आवश्यकता होती थी जो अक्सर परमाणु को उसके ट्रैप से बाहर निकाल देती थी या उसे इतना गर्म कर देती थी कि वह खो जाता था। इसका अर्थ यह था कि प्रत्येक एकल गणना के बाद, वैज्ञानिकों को सैकड़ों मिलीसेकंड नए परमाणुओं को फिर से लोड करने और उन्हें पुनर्व्यवस्थित करने में खर्च करना पड़ता था, जिससे एक सेकंड में की जा सकने वाली गणनाओं की संख्या सीमित हो जाती थी।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस गति सीमा को तोड़ने का एक तरीका प्रदर्शित किया है, जिसमें दिखाया गया है कि एक न्यूट्रल-एटम क्वांटम प्रोसेसर प्रति सेकंड एक सौ बार गणना चला सकता है। एक ऐसा सिस्टम डिजाइन करके जो परमाणु को नष्ट किए बिना या खोए बिना उसके राज्य को पढ़ सके, टीम ने एक ही परमाणुओं के समूह को बार-बार तेजी से उपयोग करने में सक्षम बनाया। यह उपलब्धि तकनीक को एक धीमी, चरण-दर-चरण प्रक्रिया से एक उच्च-गति डेटा स्ट्रीम में बदल देती है, जिससे परमाणु-आधारित कंप्यूटरों का प्रदर्शन वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक गति के बहुत करीब पहुँच जाता है।
यह प्रयोग रुबिडियम-87 नामक एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु का उपयोग करके किया गया था, जिसे एक वैक्यूम चैंबर में रखा गया था। शोधकर्ताओं ने इन दस परमाणुओं को एक एकल रेखा में व्यवस्थित किया, और प्रत्येक को 'ऑप्टिकल ट्वीज़र' नामक प्रकाश की एक छोटी, केंद्रित किरण में थामे रखा। गणना करने के लिए, टीम पहले परमाणुओं को ठंडा करती है और उन्हें एक ज्ञात शुरुआती अवस्था में सेट करती है। वे फिर परमाणुओं की अवस्था को बदलने के लिए ऑपरेशन्स की एक श्रृंखला लागू करते हैं, जो स्विच को चालू या बंद करने के समान है। मुख्य चुनौती हमेशा अंतिम चरण रही है: परिणाम को पढ़ना। पुराने सिस्टमों में, इस पढ़ने की प्रक्रिया में परमाणुओं पर प्रकाश डालना शामिल था जिससे वे चमकने लगते थे। जबकि यह चमक परमाणु की स्थिति को प्रकट करती है, यह प्रकाश परमाणुओं को धक्का भी देता है, जिससे वे अक्सर अपने ट्रैप से बाहर निकल जाते हैं। यदि एक परमाणु खो जाता है, तो पूरी प्रक्रिया रुकनी पड़ती है और वैज्ञानिकों को शून्य से शुरुआत करनी पड़ती है, जिससे कीमती समय बर्बाद होता है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने कांच से बने एक विशेष चिप का उपयोग करके एक नया इंटरफ़ेस बनाया। यह चिप एक सेट सूक्ष्म, अदृश्य सुरंगों की तरह कार्य करती है जो प्रत्येक परमाणु से निकलने वाले प्रकाश को एकत्र करती है और उसे सीधे डिटेक्टर तक निर्देशित करती है। क्योंकि प्रकाश इतनी कुशलता से एकत्र किया जाता है, टीम बहुत कम फोटोन का पता लगाकर परमाणु की स्थिति निर्धारित कर सकती है। यह कोमल दृष्टिकोण यह सुनिश्चित करता है कि परमाणु ठंडे रहें और ट्रैप में बने रहें। टीम ने इसे एक ही दस परमाणुओं पर सौ समान ऑपरेशन्स को बिना उन्हें फिर से लोड किए चलाकर परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि सौ चक्रों के बाद भी, परमाणु नब्बे दशमलव सात प्रतिशत की संभावना के साथ मौजूद थे। इस उच्च उत्तरजीविता दर (survival rate) का अर्थ था कि सिस्टम बिना परमाणुओं को फिर से लोड करने के लंबे अंतराल के, निरंतर चल सकता था।
परिणाम एक नाटकीय वृद्धि थी। टीम ने एक सौ एक गणना चक्र प्रति सेकंड की दर हासिल की, जिसे क्वांटम सर्किट इटरेशन रेट कहा जाता है। यहाँ तक कि उन दुर्लभ मामलों को ध्यान में रखने के बाद भी जहाँ एक परमाणु खो गया था और डेटा को हटाना पड़ा था, प्रभावी गति सतहतिहत्तर दशमलव आठ चक्र प्रति सेकंड बनी रही। इसे समझने के लिए, पिछले सिस्टम जो समान परमाणुओं का उपयोग करते थे, वे दस चक्र प्रति सेकंड से भी कम तक सीमित थे। शोधकर्ताओं ने यह भी सत्यापित किया कि इन बार-बार होने वाले चक्रों से प्राप्त जानकारी सुसंगत और विश्वसनीय थी। सभी सौ रन के डेटा को मिलाकर, वे एक एकल रन की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ परमाणुओं के व्यवहार को माप सके।
इस उच्च-गति क्षमता ने टीम को कंप्यूटर की गुणवत्ता का एक मानक परीक्षण करने की अनुमति दी, जिसे रैंडमाइज्ड बेंचमार्किंग (randomized benchmarking) कहा जाता है, जो केवल तेरह मिनट में पूरा हुआ। अतीत में, दस-परमाणु एरे पर इस समान परीक्षण को करने में धीमी रीलोडिंग प्रक्रिया के कारण कई घंटे लग जाते। प्रयोग ने दिखाया कि परमाणुओं ने उच्च स्तर की सटीकता बनाए रखी, जिसमें ऑपरेशन्स नब्बे प्रतिशत से अधिक बार सही थे। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि उनके तरीके को सबसे कम समय में सबसे उपयोगी जानकारी प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। गति के संतुलन और परमाणुओं को सुरक्षित रखने की आवश्यकता के बीच, उन्होंने एक "स्वीट स्पॉट" (sweet spot) पाया जहाँ सिस्टम पारंपरिक तरीकों की तुलना में दस गुना तेज़ी से जानकारी एकत्र कर सकता था, भले ही वे तरीके अन्य सभी मामलों में पूर्ण क्यों न हों।
इस प्रयोग की सफलता एक चतुर डिज़ाइन पर निर्भर करती है जिसे लेखक "वोल्कानो" (volcano) आर्किटेक्चर कहते हैं, जो चिप पर प्रकाश पथों के आकार को दर्शाता है ताकि घनी रूप से पैक किए गए परमाणुओं को डिटेक्टरों से मैप किया जा सके। यह सेटअप प्रत्येक परमाणु को व्यक्तिगत रूप से और एक साथ पढ़ने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं का मानना है कि बेहतर प्रकाश संग्रह और तेज़ कूलिंग तकनीकों जैसे और सुधारों के साथ, यह गति अंततः हजारों चक्र प्रति सेकंड तक पहुँच सकती है। यह अधिक जटिल गणनाओं और वास्तविक समय में त्रुटियों को सुधारने की क्षमता के द्वार खोल देगा, जो बड़े पैमाने के क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आवश्यक है। यह कार्य सिद्ध करता है कि परमाणुओं को बेहतर बनाने के बजाय, उन्हें पढ़ने के तरीके को बदलकर, हम इस तकनीक के प्रदर्शन के एक नए स्तर को अनलॉक कर सकते हैं।
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