Dissipatively Stabilized 0-n Fock Qubits for Noise-Biased Quantum Computing
यह शोध पत्र एक विसरणात्मक रूप से स्थिर (dissipatively stabilized) "0-n" फोक क्यूबिट आर्किटेक्चर प्रस्तावित करता है जो बिट-फ्लिप त्रुटियों को तेजी से कम करने के लिए एक गैर-रैखिक प्रणाली के ग्राउंड और n-वें उत्तेजित अवस्थाओं में सूचना को एनकोड करता है, जिससे उच्च-सटीकता वाले शोर-पक्षपाती (noise-biased) क्वांटम गेट और फॉल्ट-टोलरेंट कंप्यूटिंग के लिए कुशल सिंड्रोम निष्कर्षण सक्षम होता है।
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आज की किसी भी मशीन की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाले कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों पर आधारित एक नए प्रकार के प्रोसेसर को बनाने की दौड़ में लगे हैं। ये मशीनें सूचना की छोटी इकाइयों पर निर्भर करती हैं जिन्हें 'क्यूबिट्स' (qubits) कहा जाता है, जो अत्यधिक नाजुक होते हैं। वातावरण से होने वाला मामूली सा व्यवधान भी उन्हें उनकी जानकारी खोने के लिए मजबूर कर सकता है, जिसे 'नॉइज़' (noise) या शोर के रूप में जाना जाता है। वर्षों से, शोधकर्ता ऐसी त्रुटि-सुधार प्रणालियाँ (error-correcting systems) बनाने का प्रयास कर रहे हैं जो इन गलतियों के होने से पहले ही उन्हें ठीक कर सकें। एक आशाजनक रणनीति में "नॉइज़-बायस्ड" (noise-biased) क्यूब्स का उपयोग करना शामिल है, जिन्हें इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि एक प्रकार की त्रुटि दूसरे की तुलना में बहुत कम बार होती है। यदि कोई क्यूब किसी विशिष्ट प्रकार की खराबी का शिकार होने की संभावना दूसरे प्रकार की तुलना में बहुत अधिक रखता है, तो इंजीनियर सरल और अधिक कुशल त्रुटि-सुधार कोड बना सकते हैं जो केवल बार-बार होने वाली गलतियों पर ध्यान केंद्रित करते हैं और दुर्लभ गलतियों को अनदेखा कर देते हैं। यह दृष्टिकोण "कैट क्यूब" (cat qubit) नामक एक प्रकार के क्यूब के साथ पहले से ही बड़ी सफलता दिखा चुका है, जहाँ सूचना प्रकाश के कणों के एक बादल में संग्रहीत होती है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा अभी भी बनी हुई है: जब इन कैट क्यूब्स को गणना करने के लिए एक-दूसरे से बात करने की आवश्यकता होती है, तो उन्हें अक्सर एक संदेशवाहक के रूप में कार्य करने के लिए एक सहायक क्यूब (helper qubit) की आवश्यकता होती है। यदि यह सहायक एक मानक, शोर वाला क्यूब है, तो यह अनजाने में उन्हीं त्रुटियों को पेश कर सकता है जिनसे बचने की कोशिश सिस्टम कर रहा है, जिससे नाजुक संतुलन बिगड़ जाता है।
इस बाधा को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सहायक क्यूब के लिए एक नए डिज़ाइन का प्रस्ताव दिया है जो आवश्यक सुरक्षा बनाए रखते हुए बनाने और नियंत्रित करने में बहुत आसान है। वे इसे "0-n Fock qubit" कहते हैं। प्रकाश के बादल का उपयोग करने के बजाय, यह क्यूब सूचना को एक एकल कृत्रिम परमाणु में संग्रहीत करता है, विशेष रूप से एक उपकरण जिसे 'ट्रांसमोन' (transmon) कहा जाता है, जो कई अलग-अलग ऊर्जा स्तरों पर कंपन कर सकता है। शोधकर्ता अपने डेटा को सबसे निचले संभव ऊर्जा स्तर और एक बहुत ऊंचे स्तर में एनकोड करते हैं, बीच के सभी स्तरों को छोड़ देते हैं। उनके डिज़ाइन का चतुर हिस्सा सिस्टम को सक्रिय रूप से साफ करने की एक विधि है। वे एक विशेष फ़िल्टर का उपयोग करते हैं जो परमाणु से जुड़ा होता है और एक चयनात्मक ड्रेन और पंप की तरह कार्य करता है। यदि परमाणु गलती से बीच के छोड़े गए स्तरों में गिर जाता है, तो फ़िल्टर उसे या तो वापस निचले स्तर पर धकेल देता है या ऊंचे स्तर पर खींच लेता है, जो इस पर निर्भर करता है कि वह कहाँ है। यह प्रक्रिया इतनी तेज़ और इतनी चयनात्मक होती है कि परमाणु प्रभावी रूप से बीच के स्तरों में रहने से रुक जाता है जहाँ त्रुटियां एक विनाशकारी गलती में बदल सकती हैं।
टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से प्रदर्शित किया कि यह विधि बहुत अच्छी तरह से काम करती है। दस या अधिक ऊर्जा स्तरों वाले सिस्टम का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट प्रकार की त्रुटि, जिसे 'बिट-फ्लिप' (bit-flip) कहा जाता है, की संभावना एक करोड़ में से एक से भी कम हो सकती है। यह स्तर अधिक जटिल कैट क्यूब्स के साथ प्राप्त किए गए सर्वोत्तम परिणामों के बराबर है, लेकिन बहुत सरल हार्डवेयर सेटअप के साथ। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह नया क्यूब कैट क्यूब्स के लिए एक विश्वसनीय संदेशवाहक के रूप में कार्य कर सकता है, जिससे वे त्रुटि सुधार के लिए आवश्यक जाँच कर सकते हैं बिना नई गलतियाँ पैदा किए। एक बुनियादी त्रुटि-सुधार कोड के सिम्युलेटेड परीक्षण में, सिस्टम ने एक लॉजिकल एरर रेट (logical error rate) प्राप्त किया जो बड़े पैमाने की कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी होने के लिए पर्याप्त कम था, और वह भी केवल नौ के 'कोड डिस्टेंस' (code distance) के साथ। इसका अर्थ है कि सिस्टम संभावित रूप से पहले की तुलना में बहुत कम भौतिक घटकों का उपयोग करके त्रुटियों को ठीक कर सकता है।
इसे सफल बनाने की कुंजी फ़िल्टर का भौतिक निर्माण है। शोधकर्ताओं ने कृत्रिम परमाणु को रेज़ोनेटरों (resonators) की एक छोटी श्रृंखला से जोड़ने का प्रस्ताव दिया है, जो अनिवार्य रूप से छोटे सर्किट हैं जो विशिष्ट आवृत्तियों पर कंपन करते हैं। इन रेज़ोनेटरों के बीच के कनेक्शनों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने एक ऐसा फ़िल्टर बनाया जो केवल उन विशिष्ट आवृत्तियों पर ऊर्जा को अवशोषित या जोड़ता है जो अवांछित मध्य स्तरों के अनुरूप होती हैं। यह सिस्टम को उन स्तरों को अनदेखा करने की अनुमति देता है जहाँ डेटा संग्रहीत है, जबकि यह उन स्तरों की आक्रामक रूप से सफाई करता है जहाँ त्रुटियाँ होती हैं। अध्ययन बताता है कि इसे वर्तमान तकनीक के साथ बनाया जा सकता है, जिसमें आवश्यक सटीकता प्राप्त करने के लिए दस से कम फ़िल्टर मोड की आवश्यकता होगी। यह दृष्टिकोण एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जो उन्नत क्वांटम कोड की मजबूत त्रुटि सुरक्षा को मानक सुपरकंडक्टिंग सर्किट की सरलता के साथ जोड़ता है, जिससे दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटर का सपना वास्तविकता के करीब आ सकता है।
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