Bosonic quantum control with a weakly coupled fluxonium qubit

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक एक ऐसी रणनीति पर विचार कर रहे हैं जो प्रकाश को केवल एक संकेत के रूप में नहीं, बल्कि एक भंडारण माध्यम (storage medium) के रूप में देखती है। सूचना को उन नन्हे, नाजुक कणों में संग्रहीत करने के बजाय जो जल्दी गायब हो जाते हैं, यह दृष्टिकोण एक माइक्रोवेव कैविटी के निरंतर, तरंग-रूपी कंपनों का उपयोग करता है, जो बिल्कुल एक ट्यूनिंग फोर्क (tuning fork) की तरह है जो लंबे समय तक गूंजता रहता है। ये कंपन, जिन्हें बोसोनिक मोड्स (bosonic modes) कहा जाता है, डेटा को एनकोड करने के लिए एक विशाल स्थान प्रदान करते हैं, जो संभावित रूप से एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच की तुलना में अधिक जानकारी रख सकते हैं। हालाँकि, इन नाजुक कंपनों को अपने आप नियंत्रित नहीं किया जा सकता है; उन्हें एक साथी की आवश्यकता होती है जो उन्हें धकेल सके और निर्देशित कर सके। यह साथी आमतौर पर एक सुपरकंडक्टिंग क्वबिट होता है, जो एक छोटा कृत्रिम परमाणु है जो नियंत्रक के रूप में कार्य करता है। चुनौती इन दोनों के बीच के अंतर में निहित है: भंडारण कैविटी (storage cavity) लंबे समय तक टिकने के लिए बनाई गई है, जबकि नियंत्रण करने वाला क्वबिट अक्सर अल्पकालिक होता है और अचानक अपनी अवस्था बदल लेने के प्रति संवेदनशील होता है, जिससे संग्रहीत जानकारी नष्ट हो सकती है।

शोधकर्ताओं ने इस अंतर को पाटने के लिए 'एकोड कंडिशनल डिस्प्लेसमेंट' (Echoed Conditional Displacement) नामक एक विधि विकसित की है। एक ऐसी प्रणाली की कल्पना करें जहाँ नियंत्रक क्वबिट भंडारण कैविटी को संभावनाओं के एक द्वि-आयामी मानचित्र में अपने कंपन को एक विशिष्ट स्थान पर ले जाने के लिए कहता है। यदि क्वबिट एक अवस्था में है, तो कंपन एक दिशा में जाता है; यदि वह दूसरी अवस्था में है, तो वह विपरीत दिशा में जाता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह गति सटीक हो और क्वबिट के अपने धीमे बहाव (drifts) से खराब न हो, प्रक्रिया में बीच में एक "दर्पण" चरण शामिल है, जो त्रुटियों को रद्द करने के लिए क्वबिट को उलट देता है। यह तकनीक उन्नत त्रुटि-सुधार कोड (error-correcting codes) के लिए एक मौलिक निर्माण खंड है जो क्वांटम कंप्यूटरों को विश्वसनीय बना सकती है। फिर भी, एक बड़ी बाधा बनी हुई है: यदि नियंत्रण क्वबिट किसी यादृच्छिक त्रुटि के कारण अचानक अपनी अवस्था बदल लेता है, तो पूरी प्रक्रिया विफल हो जाती है।

एक नए अध्ययन में, भौतिकविदों की एक टीम ने फ्लक्सोनियमम (fluxonium) नामक एक विशिष्ट प्रकार के नियंत्रण क्वबिट की जांच की, जिसे इन यादृच्छिक बदलावों के प्रति असाधारण रूप से प्रतिरोधी होने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने एक विशेष ऑपरेटिंग पॉइंट पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ क्वबिट को सबसे सामान्य प्रकार की त्रुटि से सुरक्षित रखा गया है, जिससे यह मिलीसेकंड तक अपनी अवस्था बनाए रख सकता है—जो क्वांटम दुनिया में एक लंबा समय है। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि यह मजबूत क्वबिट एक जुड़े हुए माइक्रोवेव रेज़ोनेटर पर 'एकोड कंडिशनल डिस्प्लेसमेंट गेट' कितनी अच्छी तरह प्रदर्शन कर सकता है। उन्होंने पाया कि इस संरक्षित क्वबिट का उपयोग करके, वे 99.9% से अधिक गेट फिडेलिटी (gate fidelities) प्राप्त कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि ऑपरेशन लगभग हर बार सफल होता है। यह परिणाम बताता है कि इन प्रणालियों में त्रुटि का प्राथमिक स्रोत अब क्वबिट का बदलना नहीं है, बल्कि स्वयं भंडारण कैविटी से ऊर्जा की अपरिहार्य हानि है।

अध्ययन ने एक गहरे प्रश्न को भी सुलझाया जो तब उत्पन्न होता है जब भंडारण कैविटी को कंपन को तेजी से चलाने के लिए जोर से धकेला जाता है। जब कैविटी को एक बड़े संचलन को बनाने के लिए एक मजबूत बल के साथ संचालित किया जाता है, तो इसके व्यवहार का वर्णन करने वाले सरल नियम टूटने लगते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि क्वबिट और कैविटी के बीच की अंतःक्रिया (interaction) तब बढ़ती नहीं रहती जब संचलन बड़ा होता है; इसके बजाय, यह अंततः एक सीमा तक पहुँच जाती है और स्थिर (saturate) हो जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि फ्लक्सोनियम क्वबिट की आंतरिक संरचना, जो एक 'डबल-वेल पोटेंशियल' (double-well potential) की तरह दिखती है, जटिल तरीकों से कैविटी के साथ अंतःक्रिया करती है जिसे उच्च-क्रम के भौतिकी पद (higher-order physics terms) वर्णित करते हैं। इसे समझने के लिए, टीम ने एक नया मॉडलिंग तरीका विकसित किया जो कैविटी के कंपन को अंतरिक्ष में एक चलते हुए बिंदु के रूप में मानता है, और यह ट्रैक करता है कि क्वबिट के आकार का हर सूक्ष्म विवरण गति को कैसे प्रभावित करता है। इस दृष्टिकोण ने खुलासा किया कि नियंत्रण की गति केवल संचलन के आकार के साथ नहीं बढ़ती है; बल्कि यह शिखर पर पहुँचती है और फिर घट जाती है, एक ऐसा व्यवहार जिसे मानक मॉडल नहीं देख पाए थे।

इस नई समझ से लैस होकर, टीम ने नियंत्रण अनुक्रम (control sequence) के एक बेहतर संस्करण को डिजाइन किया। मानक विधि मान लेती है कि कैविटी पूर्ण है और क्वबिट अंतःक्रिया सरल है, लेकिन वास्तव में, कैविटी ऊर्जा खो देती है, और अंतःक्रिया में सूक्ष्म, अवांछित मोड़ होते हैं। शोधकर्ताओं ने संकेतों के एक नए सेट की गणना की जो इन नुकसानों और विकृतियों की सक्रिय रूप से भरपाई करता है। नियंत्रण संकेतों के समय और शक्ति को समायोजित करके, वे उन त्रुटियों को रद्द कर सकते हैं जो अन्यथा कंपन को गलत स्थान पर छोड़ देंगी या गलत दिशा में घुमा देंगी। जब उन्होंने अपने सिमुलेशन में इस बेहतर अनुक्रम का परीक्षण किया, तो इसने ऊर्जा हानि और जटिल गैर-रेखीयताओं (nonlinearities) के कारण होने वाले अवांछित बदलावों को सफलतापूर्वक ठीक किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कंपन ठीक वहीं समाप्त हो जहाँ उसे होना चाहिए था।

यह कार्य क्वांटम नियंत्रण के लिए एक महत्वपूर्ण मार्ग को रेखांकित करता है। जबकि नियंत्रण क्वबिट को अब पलटने से रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत बनाया जा सकता है, भंडारण कैविटी स्वयं ऊर्जा खोने के प्रति असुरक्षित बनी हुई है। शोधकर्ताओं ने पाया कि भले ही एक आदर्श क्वबिट हो, कैविटी से फोटॉन की हानि ही इन गेटों की सटीकता को सीमित करने वाला मुख्य कारक है। हालांकि, उनकी नई मॉडलिंग तकनीक यह स्पष्ट करती है कि सिस्टम मजबूत ड्राइविंग बलों के तहत कैसे व्यवहार करता है, जिससे इंजीनियर किसी भी उपकरण को बनाने से पहले इन प्रभावों का अनुमान लगा सकते हैं और उन्हें ठीक कर सकते हैं। एक ऐसे क्वबिट को मिलाने से जो पलटने का विरोध करता है और एक नियंत्रण अनुक्रम से जो ऊर्जा हानि और जटिल अंतःक्रियाओं को ठीक करता है, टीम ने उच्च-फिडेलिटी नियंत्रण के एक व्यवहार्य मार्ग का प्रदर्शन किया है। यह प्रगति हमें दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटिंग के लक्ष्य के करीब ले जाती है, जहाँ सूचना को वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक विश्वसनीयता के साथ संग्रहीत और प्रबंधित किया जा सकता है।