An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज समय के विरुद्ध एक दौड़ है, लेकिन यह उस तरह का समय नहीं है जिसे सेकंड या मिनटों में मापा जाता है। इसे उन घंटों और दिनों में मापा जाता है जो एक मशीन को कल्पना करने योग्य सबसे ठंडे तापमान तक ठंडा करने में लगते हैं। क्वांटम कंप्यूटर के नाजुक सर्किटों को काम करने के योग्य बनाने के लिए, उन्हें परम शून्य (absolute zero) से महज एक अंश ऊपर के तापमान तक ठंडा करना पड़ता है, एक ऐसी अवस्था जहाँ परमाणुओं की अराजक हलचल लगभग रुक जाती है। यह अत्यधिक ठंड आमतौर पर एक 'डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर' नामक एक विशेष मशीन का उपयोग करके प्राप्त की जाती है, जो एक सुपर-पावर्ड आइस बॉक्स की तरह कार्य करती है। पिछले एक दशक से, ये मशीनें क्वांट क्वांटम अनुसंधान की रीढ़ रही हैं, जिससे वैज्ञानिकों को यह देखने में मदद मिली है कि उनके क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स, अपनी जानकारी खोने से पहले कितनी देर तक उसे बनाए रख सकते हैं। हालाँकि, पारंपरिक मशीनें विशाल, भारी और उपयोग करने में अविश्वसनीय रूप से धीमी होती हैं। एक बार जब कोई वैज्ञानिक एक नए डिज़ाइन का परीक्षण पूरा कर लेता है, तो उसे मशीन के गर्म होने, नमूने को बदलने और फिर से ठंडा होने के लिए पूरे एक दिन या उससे अधिक समय का इंतजार करना पड़ता है। यह धीमी प्रक्रिया एक बाधा (bottleneck) पैदा करती है, जिससे शोधकर्ताओं को एक नया विचार परीक्षण करने के लिए हफ्तों या महीनों तक इंतजार करने के लिए मजबूर होना पड़ता है, जिससे खोज की गति काफी धीमी हो जाती है।

फ्रांस और जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बाधा को तोड़ने वाला समाधान बनाया है। उन्होंने एक ऐसा डाइल्यूशन रेफ्ररेटर बनाया है जो इतना छोटा है कि इसका वजन केवल तीन किलोग्राम है, जो लगभग एक बड़े लैपटॉप के द्रव्यमान के बराबर है, और यह दस सेंटीमीटर चौड़े सिलेंडर के भीतर समा सकता है। अपने छोटे आकार के बावजूद, यह अति-कॉम्पैक्ट मशीन एक नमूने को सत्तर मिलीकेल्विन के आधार तापमान तक ठंडा कर सकती है, जो सुपरकंडक्टिंग क्वांटम उपकरणों को संचालित करने के लिए पर्याप्त ठंडा स्तर है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह अभूतपूर्व गति के साथ ऐसा करता है। खाली होने पर, यह मशीन ठंडा होने, गर्म होने और कमरे के तापमान पर वापस आने के एक पूर्ण चक्र को केवल एक घंटे और बारह मिनट में पूरा कर सकती है। यहाँ तक कि जब इसमें क्वांटम चिप को मापने के लिए आवश्यक जटिल वायरिंग लोड की जाती है, तब भी पूरी प्रक्रिया में केवल दो घंटे और छह मिनट लगते हैं। यह आज के क्षेत्र में हावी रहने वाली पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में समय में बीस गुना कमी का प्रतिनिधित्व करता है।

शोधकर्ताओं ने न केवल एक तेज़ मशीन बनाई; उन्होंने यह भी सिद्ध किया कि यह गति प्रदर्शन की कीमत पर नहीं आती है। अपने आविष्कार का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक चिप स्थापित की जिसमें दो सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स हैं, जो फ्लक्सोनियमम (fluxonium) नामक एक प्रकार के क्वांटम बिट हैं, जो गर्मी और विद्युत शोर के प्रति अत्यंत संवेदनशील होते हैं। एक मानक प्रयोगशाला सेटिंग में, इस तरह की चिप का परीक्षण एक विशाल, कई टन के रेफ्रिजरेटर में किया जाता। यहाँ, टीम ने चिप को सीधे अपने लघु उपकरण में रखा। वे क्यूबिट्स की संपूर्ण ऊर्जा संरचना को मैप करने, यह मापने में सक्षम थे कि वे जानकारी को कितनी देर तक संग्रहीत कर सकते हैं, और यह परीक्षण करने में सक्षम थे कि उन्हें कितनी सटीकता से नियंत्रित किया जा सकता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। टीम ने ९९ प्रतिशत तक सिंगल-क्यूबिट गेट फिडेलिटी (fidelity) प्राप्त की, जो इस बात का माप है कि एक क्वांटम ऑपरेशन कितनी सटीकता से किया जाता है। यह सटीकता उनके मशीन के ऑपरेटिंग तापमान पर भौतिक रूप से संभव उच्चतम सीमा के बहुत करीब है, जो यह सिद्ध करता है कि कॉम्पैक्ट डिजाइन ने कोई भी छिपा हुआ त्रुटि या शोर पेश नहीं किया जिससे प्रयोग खराब हो जाता।

इस प्रयोग की सफलता मशीन की आंतरिक वास्तुकला के एक चतुर पुनर्गठन पर टिकी है। पारंपरिक लेआउट, जहाँ सबसे ठंडा हिस्सा नीचे होता है, के बजाय शोधकर्ताओं ने ज्यामिति को उलट दिया, जिससे सबसे ठंडा चरण, जिसे मिक्सिंग चैंबर कहा जाता है, बिल्कुल शीर्ष पर आ गया। यह डिज़ाइन वैज्ञानिकों को एक संकीकर, इंसुलेटेड ट्यूब के भीतर गहराई तक जाए बिना मशीन के सबसे ठंडे हिस्से तक सीधी पहुँच प्रदान करता है। यह नमूना लगाने और घटकों को बदलने की प्रक्रिया को सरल बनाता है, जो तीव्र परीक्षण के लिए महत्वपूर्ण है। मशीन हीलियम के दो आइसोटोप के मिश्रण का उपयोग करती है, जो अत्यंत निम्न तापमान पर तरल बन जाता है, ताकि शीतलन प्रभाव उत्पन्न किया जा सके। मशीन के भीतर सामग्री की मात्रा को कम करके और इस शीतलन गैस के प्रवाह को सुव्यवस्थित करके, टीम ने यह सुनिश्चित किया कि सिस्टम अपने बड़े समकक्षों की तुलना में बहुत तेज़ी से गर्मी निकाल सके। पूरा उपकरण इतना हल्का और छोटा है कि इसे उच्च-शक्ति वाले मैग्नेट के संकीर्ण एक्सेस पोर्ट्स के भीतर रखा जा सकता है या बिना किसी समर्पित, भारी-भरती नींव की आवश्यकता के अन्य प्रयोगों के साथ उपयोग किया जा सकता है।

हालाँकि यह मशीन गति और आकार के मामले में एक चमत्कार है, शोधकर्ता इसकी सीमाओं के बारे में ईमानदार रहने में सावधानी बरतते रहे। यह जितनी कूलिंग पावर उत्पन्न करती है वह एक मानक बड़े पैमाने के रेफ्रिजरेटर की तुलना में लगभग दस गुना कम है, और इसका आधार तापमान थोड़ा अधिक है। इसका अर्थ है कि उन प्रयोगों के लिए जिनमें परम ठंडे तापमान या क्वांटम सूचना के लिए सबसे लंबे संभावित भंडारण समय की आवश्यकता होती है, पारंपरिक बड़ी मशीनें अभी भी श्रेष्ठ हैं। हालाँकि, नया उपकरण उन दिग्गजों को बदलने के लिए नहीं है। इसके बजाय, यह 'हाई-थ्रूपुट स्क्रीनिंग' के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है। क्वांटम हार्डवेयर के विकास में, इंजीनियरों को अक्सर दर्जनों थोड़े अलग डिजाइनों का परीक्षण करने की आवश्यकता होती है ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा सबसे अच्छा काम करता है। एक पारंपरिक मशीन के साथ, एक डिज़ाइन के परीक्षण में एक सप्ताह लग सकता है, जिससे तेजी से सुधार करना असंभव हो जाता है। इस नए उपकरण के साथ, एक शोधकर्ता एक नया डिज़ाइन टेस्ट कर सकता है, परिणामों का विश्लेषण कर सकता है, और कुछ ही घंटों के भीतर अगला परीक्षण शुरू कर सकता है। यह तीव्र फीडबैक लूप सामग्रियों और सर्किट डिजाइनों के बहुत तेज़ परिशोधन की अनुमति देता है, जिससे पूरी इंजीनियरिंग प्रक्रिया में तेजी आती है।

टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि मशीन क्वांटम चिप से बात करने के लिए आवश्यक जटिल विद्युत संकेतों को संभाल सकती है। उन्होंने माइक्रोवेव संकेतों को कोएक्सियल केबल्स के माध्यम से रूट किया जो विभिन्न तापमान चरणों पर एंकर किए गए थे ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि संकेत साफ रहें और शोर से मुक्त रहें। सीमित स्थान के बावजूद, जिसने उनके द्वारा लगाए जा सकने वाले फिल्टरों की संख्या को सीमित कर दिया था, सिस्टम का शोर क्यूबिट्स की स्थिति को उच्च सटीकता के साथ पढ़ने के लिए पर्याप्त कम रहा। मापों ने दिखाया कि क्यूबिट्स बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करते हैं जैसा कि सिद्धांत भविष्यवाणी करता है, उनका प्रदर्शन केवल वातावरण के तापमान द्वारा सीमित था, न कि मशीन की गुणवत्ता द्वारा। यह पुष्टि करता है कि कॉम्पैक्ट डिजाइन डेटा की गुणवत्ता से समझौता नहीं करता है, जो एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है जो भविष्य के उपयोग के लिए इस दृष्टिकोण को मान्य करता है।

आगे देखते हुए, शोधकर्ता भविष्य के सुधारों के लिए एक स्पष्ट मार्ग देखते हैं। वे उल्लेख करते हैं कि भविष्य के संस्करणों में आधार तापमान को कम किया जा सकता है और शोर के खिलाफ सुरक्षा को बढ़ाया जा सकता है, जो उनके प्रदर्शन को सबसे बड़ी प्रणालियों के स्तर के और करीब ले जाएगा। वे यह भी बताते हैं कि मशीन का संचालन सस्ता है और इतनी छोटी है कि इसे एक साथ कई इकाइयों में तैनात किया जा सकता है। यह एक नए प्रकार के वर्कफ़्लो के द्वार खोलता है जहाँ कई छोटी मशीनें समानांतर में चल सकती हैं, जिनमें से प्रत्येक एक अलग क्वांटम डिवाइस का परीक्षण करती है, बजाय एक एकल, विशाल मशीन पर निर्भर रहने के जिसके उपयोग के लिए सभी को प्रतीक्षा करनी पड़ती है। प्रयोगशाला से परे, इस प्रणाली की सरलता और कम लागत इसे शिक्षा के लिए एक आदर्श उपकरण बनाती है, जिससे छात्रों को मल्टी-मिलियन डॉलर की सुविधा तक पहुँच के बिना सुपरकंडक्टिंग क्वांटम तकनीक का व्यावहारिक अनुभव प्राप्त करने का अवसर मिलता है। एक ऐसी प्रक्रिया को, जो कभी दिनों में चलती थी, घंटों में बदलकर, यह अति-कॉम्पैक्ट रेफ्रिजरेटर भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के विकास को गति देने का एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।