Low-leakage superconducting-qubit measurement with sub-100-ns total duration
यह शोध पत्र एक बड़े रेज़ोनेटर क्षय दर (decay rate) और एक अनुकूलित डिस्पर्सिव शिफ्ट का उपयोग करके 97-नैनोसेकंड की कुल अवधि और 0.17% असाइनमेंट त्रुटि प्राप्त करने वाला एक तेज़, उच्च-निष्ठा (high-fidelity), और कम-रिसाव (low-leakage) वाला सुपरकंडक्टिंग क्वबिट माप प्रोटोकॉल प्रदर्शित करता है, जिससे क्वांटम एरर करेक्शन के अनुकूल न्यूनतम अवस्था संक्रमणों के साथ तीव्र रीडआउट सक्षम होता है।
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क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, मशीन का मस्तिष्क सूक्ष्म सर्किटों से बना होता है जो एक ही समय में दो अवस्थाओं में रह सकते हैं, यह एक ऐसा गुण है जो उन्हें उन समस्याओं को हल करने की अनुमति देता है जो साधारण कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। हालाँकि, ये सर्किट अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। इनका उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को लगातार उनकी अवस्था की जाँच करनी पड़ती है, जिसे 'मेजरमेंट' (मापन) कहा जाता है, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे सही ढंग से काम कर रहे हैं और किसी भी त्रुटि को फैलने से पहले सुधारा जा सके। यह जाँच अत्यंत तीव्र और सटीक होनी चाहिए, क्योंकि जिस क्षण एक सर्किट मापन की प्रतीक्षा में निष्क्रिय छोड़ दिया जाता है, वह अपनी नाजुक क्वांटम जानकारी खोने लगता है। वर्षों से, इन शक्तिशाली मशीनों को बनाने में एक बड़ी बाधा यह रही है कि सर्किट की अवस्था को पढ़ना उन ऑपरेशनों की तुलना में धीमा और गलतियों के प्रति अधिक संवेदनशील रहा है जो इसे नियंत्रित करते हैं। यदि पढ़ने की प्रक्रिया बहुत धीमी है, तो जानकारी लुप्त हो जाती है; यदि यह बहुत आक्रामक है, तो सर्किट को देखने की क्रिया उसे उसकी इच्छित अवस्था से पूरी तरह से बाहर कर सकती है।
जापान में RIKEN सेंटर फॉर क्वांटम कंप्यूटिंग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब अभूतपूर्व गति और सौम्यता के साथ एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट की अवस्था को पढ़ने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। वे एक पूर्ण मापन को एक सौ नैनोसेकंड से भी कम समय में पूरा करने में सफल रहे, एक ऐसा समय अंतराल जो इतना छोटा है कि इसे अरबवें हिस्से में मापा जाता है। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने ऐसा बिना सर्किट को बाधित किए या उसे अनचाही, उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं में लीक किए बिना किया जो गणना को खराब कर सकती थी। सर्किट और एक विशेष फिल्टर के बीच की अंतःक्रिया को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम ने सिद्ध किया कि यह संभव है कि क्वांटम जानकारी को तेजी से और सटीक रूप से पढ़ा जाए, भले ही घटक आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) में एक-दूसरे के बहुत करीब ट्यून किए गए हों, जो कि पहले उच्च-गति संचालन के लिए बहुत जोखिम भरा माना जाता था।
शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम सर्किट पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'ट्रांसमोन' (transmon) के रूप में जाना जाता है, जो कई आधुनिक क्वांटम प्रोसेसरों के मानक निर्माण खंड हैं। इस सर्किट की अवस्था को मापने के लिए, उन्होंने 'डिस्पर्सिव रीडआउट' (dispersive readout) नामक तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि सर्किट एक 'रेज़ोनेटर' (resonator) से जुड़ा है, जो एक छोटा कक्ष है जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को धारण कर सकता है, ठीक वैसे ही जैसे गिटार का तार एक विशिष्ट स्वर धारण करता है। जब सर्किट एक अवस्था में होता है, तो वह रेज़ोनेटर के स्वर (पिच) को थोड़ा बदल देता है; जब वह दूसरी अवस्था में होता है, तो पिच अलग तरह से बदलती है। इस रेज़ोनेटर में एक सिग्नल भेजकर और यह सुनकर कि वह कैसे वापस लौटता है, वैज्ञानिक बता सकते हैं कि सर्किट किस अवस्था में है। चुनौती हमेशा गति और सुरक्षा के बीच संतुलन बनाए रखने की रही है। एक स्पष्ट सिग्नल जल्दी प्राप्त करने के लिए, सर्किट और रेज़ोनेटर के बीच एक मजबूत संबंध की आवश्यकता होती है, लेकिन एक मजबूत संबंध सर्किट को ऊर्जा खोने या गलत अवस्था में जाने का कारण भी बन सकता है।
इस नए कार्य में, टीम ने सेटअप में एक समर्पित 'फिल्टर रेज़ोनेटर' पेश किया। यह फिल्टर एक द्वारपाल की तरह कार्य करता है, जो मापन सिग्नल को कुशलतापूर्वक गुजरने देता है जबकि मुख्य सर्किट को अनावश्यक शोर से बचाता है। उन्होंने सिस्टम को इस तरह से डिजाइन किया कि रेज़ोनेटर मापन सिग्नल के प्रति बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया दे, जिससे वे केवल 58 नैनोसेकंड में निर्णय लेने के लिए पर्याप्त जानकारी एकत्र कर सकें। एक बार जब मापन पल्स समाप्त हो जाती है, तो रेज़ोनेटर में शेष ऊर्जा कुछ दस नैनोसेकंड में निष्क्रिय रूप से निकल जाती है, जिसके लिए इसे साफ करने हेतु किसी अतिरिक्त सक्रिय पल्स की आवश्यकता नहीं होती है। इस तीव्र सफाई का अर्थ है कि सर्किट लगभग तुरंत सामान्य संचालन पर लौट सकता है। शोधकर्ताओं ने कुल मापन समय को पल्स की शुरुआत से लेकर उस समय तक के काल के रूप में परिभाषित किया जब तक कि मापन से उत्पन्न त्रुटि एक बहुत छोटे स्तर से नीचे न गिर जाए। उन्होंने इस कुल समय को 97 नैनोसेकंड पाया।
टीम ने यह भी कड़ाई से परीक्षण किया कि क्या इस तेज़ मापन के कारण सर्किट उन उच्च ऊर्जा स्तरों में "लीक" हुआ जो मानक दो-अवस्था प्रणाली का हिस्सा नहीं हैं। ऐसा लीकेज एक आम समस्या है जब मापन बहुत मजबूत होता है या घटक आवृत्ति में बहुत करीब होते हैं। एक विशेष, अत्यधिक संवेदनशील मापन अनुक्रम का उपयोग करके, उन्होंने हजारों बार दोहराए गए परीक्षणों पर सर्किट के व्यवहार को ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि जिस दर से सर्किट इन अनचाही अवस्थाओं में लीक हुआ, वह अत्यंत कम थी, जो कि प्राकृतिक बैकग्राउंड लीकेज दर से केवल दो गुना अधिक थी जो बिना किसी मापन के भी होता है। यह लीकेज दर उस दर से दो क्रम (two orders of magnitude) छोटी थी जिस दर से मापन ने सर्किट को शिथिल किया या ऊर्जा खो दी, जो कि त्रुटि का प्रमुख स्रोत था।
यह समझने के लिए कि सिस्टम इतने स्थिर क्षेत्र में भी इतना स्थिर क्यों रहा जहाँ कई अनचाहे रेजोनेंस (अनुनाद) सैद्धांतिक रूप से संभव हैं, शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। उन्होंने मापन सिग्नल और सर्किट के ऊर्जा स्तरों के बीच जटिल अंतःक्रियाओं की जांच की। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि हालांकि मापन पल्स उन कई बिंदुओं से होकर गुजरी जहाँ रेजोनेंस संभव थे, लेकिन अवस्थाओं के बीच का संबंध अविश्वसनीय रूप से कमजोर था। क्योंकि रेज़ोनेटर ऊर्जा को इतनी तेज़ी से निकाल देता था, सिस्टम इन संभावित परेशानी वाले स्थानों से इतनी तेज़ी से गुजरा कि वह फंसने या गलत अवस्था में जाने के लिए पर्याप्त समय नहीं मिला। इस तीव्र मार्ग ने सर्किट को बिना विचलित हुए सीमाओं को पार करने में मदद की, जिसे 'डायबैटिकली' (diabatically) पार करना कहा जाता है।
परिणाम पुष्टि करते हैं कि जब सर्किट और रेज़ोनेटर आवृत्ति में एक-दूसरे के बहुत करीब ट्यून किए गए हों, तब भी तेज़, उच्च-सटीकता और कम-लीकेज वाले मापन प्राप्त करना संभव है। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह क्वांटम प्रोसेसर को कैसे डिजाइन किया जा सकता है, इस पर एक प्रमुख प्रतिबंध को हटा देता है। पहले, इंजीनियरों को त्रुटियों से बचने के लिए इन घटकों को व्यापक रूप से अलग करने के लिए मजबूर महसूस हो सकता था, जो डिजाइन को जटिल बना सकता था और प्रदर्शन को कम कर सकता था। यह दिखाकर कि एक सावधानीपूर्वक अनुकूलित सिग्नल के साथ एक बड़ा क्षय दर (decay rate) छोटे आवृत्ति अंतरों पर प्रभावी ढंग से काम कर सकता है, यह कार्य अधिक सघन और कुशल क्वांटम प्रोसेसरों के लिए द्वार खोलता है। 100 नैनोसेकंड से कम में एक क्वांटम बिट की अवस्था को इतनी उच्च सटीकता के साथ पढ़ने की क्षमता, त्रुटि-सुधारित क्वांटम कंप्यूटरों की व्यावहारिक प्राप्ति को एक कदम और वास्तविकता के करीब लाती है।
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