Programming anharmonic potentials in a superconducting harmonic oscillator

क्वांटम दुनिया में, पदार्थ के सबसे मौलिक निर्माण खंड अक्सर एक आदर्श स्प्रिंग की तरह व्यवहार करते हैं। जब एक परमाणु कंपन करता है या एक अणु डगमगाता है, तो वह अक्सर एक सरल, पूर्वानुमानित लय का पालन करता है जिसे हार्मोनिक ऑसिलेशन (harmonic oscillation) कहा जाता है। यह व्यवहार इतना विश्वसनीय है कि वैज्ञानिकों ने सूचनाओं को संसाधित करने के लिए इन कंपन करने वाले तंत्रों का उपयोग करके, इन्हें एक स्थिर आधार के रूप में इस्तेमाल करते हुए, संपूर्ण क्वांटॉन कंप्यूटर बनाए हैं। हालांकि, वास्तविक ब्रह्मांड शायद ही कभी इतना सरल होता है। रासायनिक प्रतिक्रियाएं, अणुओं के टूटने का तरीका, और जीवन को संचालित करने वाली जटिल अंतःक्रियाएं उन बलों द्वारा नियंत्रित होती हैं जो एक आदर्श स्प्रिंग का अनुसरण नहीं करते हैं। ये बल "एनहार्मोनिक" (anharmonic) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे इस बात पर निर्भर करते हुए अपना व्यवहार बदलते हैं कि उन्हें कितना खींचा या दबाया गया है। इन वास्तविक दुनिया की प्रक्रियाओं को क्वांटम कंप्यूटर पर सिम्युलेट करने के लिए, शोधकर्ताओं को इन जटिल, गैर-रैखिक बलों को मांग के अनुसार बनाने में सक्षम होने की आवश्यकता है। अब तक, ऐसे विशिष्ट, कस्टम-मेड बलों को इंजीनियर करना एक महत्वपूर्ण बाधा रही है, जिसके लिए अक्सर हर नए कार्य के लिए अद्वितीय हार्डवेयर की आवश्यकता होती थी।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम डिवाइस में इन जटिल बलों को सीधे प्रोग्राम करने की एक लचीली विधि प्रदर्शित की है। उन्होंने एक क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर के साथ काम किया, जो एक आदर्श स्प्रिंग की तरह स्वाभाविक रूप से कंपन करता है, और इसे एक 'ट्रांसमोन क्वबिट' (transmon qubit) नामक एक छोटे कृत्रिम परमाणु से जोड़ा। दोनों के बीच की अंतःक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो क्वांटम बलों को आकार देने वाले एक सार्वभौमिक उपकरण के रूप में कार्य करने में सक्षम है। हर नए प्रकार के कंपन का अध्ययन करने के लिए एक नई मशीन बनाने के बजाय, उन्होंने एक एकल, पुनर्गठित करने योग्य (reconfigurable) सर्किट विकसित किया। यह सर्किट कृत्रिम परमाणु के तीव्र रोटेशन (rotations) और ऑसिलेटर के स्थान के सटीक बदलावों को आपस में जोड़कर काम करता है। केवल रोटेशन के कोणों को बदलकर, शोधकर्ता डिवाइस को विभिन्न प्रकार के जटिल पोटेंशियल (potentials) की नकल करने के लिए प्रोग्राम कर सके, जिससे प्रभावी रूप से ऑसिलेटर को यह बताया जा सका कि वह एक कस्टम-डिज़ाइन किए गए ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) में फंसा हुआ है।

टीम ने अपने तरीके का परीक्षण करने के लिए सबसे पहले एक 'क्यूबिक फेज गेट' (cubic phase gate) बनाया, जो एक विशिष्ट प्रकार का बल है और सार्वभौमिक क्वांटम गणनाओं को करने के लिए आवश्यक है। उन्होंने डिवाइस को एक ऐसा बल लागू करने के लिए प्रोग्राम किया जो केंद्र से दूर जाने पर और अधिक मजबूत होता जाता है, एक ऐसा व्यवहार जो एक मानक स्प्रिंग के लिए असंभव है। यह सत्यापित करने के लिए कि वे सफल रहे हैं, उन्होंने 'पॉइंटवाइज फोर्स रिकंस्ट्रक्शन' (pointwise force reconstruction) नामक एक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने सिस्टम के माध्यम से कई सौम्य, सुपरिभाषित प्रोब्स (probes) भेजे और मापा कि ऑसिलेटर के मोमेंटम में कितना परिवर्तन हुआ। इन परिवर्तनों का मानचित्रण करके, वे उस बल के आकार को पुनर्गठित करने में सक्षम हुए जिसे डिवाइस ने लागू किया था। परिणामों ने दिखाया कि डिवाइस ने इच्छित क्यूबिक आकार सफलतापूर्वक बनाया, जिसमें मापा गया बल बहुत कम त्रुटि मार्जिन के भीतर प्रोग्राम किए गए लक्ष्य से मेल खाता था। इस गेट द्वारा उत्पादित क्वांटम अवस्थाएं अत्यधिक जटिल और गैर-मानक थीं, जो पुष्टि करती हैं कि डिवाइस ने उन्नत क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए आवश्यक गैर-गॉसियन संसाधनों को सफलतापूर्वक उत्पन्न किया है।

इस सफलता को आगे बढ़ाते हुए, शोधकर्ताओं ने 'डबल-वेल पोटेंशियल' (double-well potentials) के एक परिवार को इंजीनियर किया। ये ऊर्जा परिदृश्य एक ऐसी घाटी की तरह हैं जिसमें दो गड्ढे एक पहाड़ी द्वारा अलग किए गए हैं, एक ऐसा आकार जो यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि कण बाधाओं के माध्यम से कैसे टनल करते हैं या रासायनिक बंधन कैसे टूटते और फिर से बनते हैं। उन्होंने डिवाइस को एक पूर्णतः सममित (symmetrical) डबल वेल बनाने के लिए प्रोग्राम किया, जहाँ दोनों गड्ढे समान थे, और फिर सेटिंग्स को बदलकर एक असममित (asymmetrical) संस्करण बनाया जहाँ एक गड्ढा दूसरे की तुलना में गहरा था। उन्होंने एक "टूटा हुआ" संस्करण भी बनाया जहाँ पहाड़ी पूरी तरह गायब हो गई, जिससे केवल एक ढलान ही रह गई। प्रत्येक मामले में, बल प्रोफाइल का पुनर्निर्माण इच्छित आकार को स्पष्ट रूप से दिखाता था। सममित संस्करण के लिए, बल पूरी तरह संतुलित था; असममित वाले के लिए, संतुलन प्रोग्राम के अनुसार स्थानांतरित किया गया था; और टूटे हुए संस्करण के लिए, विशिष्ट डबल-डिप संरचना गायब हो गई थी। इसने प्रदर्शित किया कि सिस्टम न केवल जटिल आकार बना सकता है, बल्कि उन आकारों की समरूपता (symmetry) को बदलने के लिए उच्च सटीकता के साथ ट्यून भी किया जा सकता है।

अंत में, टीम ने सबसे चुनौतीपूर्ण लक्ष्यों में से एक, 'मौरसे पोटेंशियल' (Morse potential) को हल किया। यह एक विशिष्ट प्रकार का बल है जो वर्णन करता है कि एक अणु में परमाणु कैसे कंपन करते हैं और अंततः अलग हो जाते हैं, जिसकी विशेषता एक तरफ एक खड़ी दीवार और दूसरी तरफ एक कोमल, सपाट होती ढलान है। यह आकार उनके द्वारा पहले बनाए गए बहुपद (polynomial) आकारों से मौलिक रूप से भिन्न है, क्योंकि इसमें एक घातांकीय वक्र (exponential curve) शामिल है। शोधकर्ताओं ने डिवाइस को इस पोटेंशियल का अनुमान लगाने के लिए प्रोग्राम किया। जबकि पुनर्निर्माण ने सामान्य आकार दिखाया, मौरसे पोटेंशियल की खड़ी, तीखी दीवार को पूरी तरह से हल नहीं किया जा सका। शोधकर्ताओं ने पहचान की कि यह सीमा उनके प्रोग्रामिंग में दोष के कारण नहीं थी, बल्कि स्वयं माप पद्धति का परिणाम थी। उनके द्वारा उपयोग किए गए प्रोब्स की एक निश्चित चौड़ाई थी, जिसने बल के सबसे तीखे विवरणों को सुचारू (smooth) कर दिया, ठीक वैसे ही जैसे एक थोड़ा धुंधला लेंस तस्वीर के बारीक किनारों को कैप्चर नहीं कर सकता।

सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने दिखाया कि यदि वे एक अलग प्रकार का प्रोब उपयोग करते—जो स्थिति में बहुत संकीर्ण रूप से 'स्क्वीज' (squeeze) किया गया हो—तो मौरसे पोटेंशियल की तीखी दीवार को उच्च निष्ठा (fidelity) के साथ पुनः प्राप्त किया जा सकता था। इस निष्कर्ष ने एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया: हार्डवेयर कार्य करने में सक्षम है, और शेष सीमा केवल अधिक सटीक माप उपकरण का उपयोग करने का मामला है, जो समान प्रयोगात्मक सेटअपों में पहले से ही उपलब्ध है। यह कार्य अनहार्मोनिक पोटेंशियल को प्रोग्राम करने के लिए एक व्यावहारिक और पुनर्गठित करने योग्य मार्ग स्थापित करता है। केवल रोटेशन कोणों के एक सेट को बदलकर, शोधकर्ता उसी हार्डवेयर पर क्यूबिक बलों, डबल-वेल ट्रैप और आणविक कंपन मॉडल बनाने के बीच स्विच कर सकते हैं। यह क्षमता जटिल आणविक गतिशीलता और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को विस्तार के एक ऐसे स्तर के साथ सिम्युलेट करने का द्वार खोलती है जो पहले पहुंच से बाहर था, जिससे क्वांटम सिमुलेशन भौतिक दुनिया की वास्तविकता के करीब पहुँच जाता है।