Efficient quantum state preparation on Quantinuum hardware
यह शोध पत्र क्वांटिनियम (Quantinuum) के H2-1 हार्डवेयर पर संसाधन-कुशल क्वांटम अवस्था तैयारी और तीव्र, सुदृढ़ फिडेलिटी सत्यापन के लिए एक एंड-टू-एंड फ्रेमवर्क प्रस्तुत करता है, जो टेन्सर-नेटवर्क सर्किट को एक नवीन प्री-मेज़रमेंट बेसिस-चेंज तकनीक के साथ एकीकृत करके संरचित अवस्थाओं के लिए 0.929 की उच्च फिडेलिटी प्राप्त करता है, जो शैडो ओवरलैप सत्यापन की सैंपल कॉम्प्लेक्सिटी को नाटकीय रूप से कम करता है।
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इस कार्य में शोधकर्ताओं के सामने आने वाली चुनौती को समझने के लिए, सबसे पहले क्वांटम कंप्यूटिंग के मौलिक लक्ष्य को समझना आवश्यक है: सूक्ष्म कणों की नाजुक अवस्थाओं (states) को नियंत्रित करना ताकि उन समस्याओं को हल किया जा सके जो क्लासिकल कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। इस प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम एक विशिष्ट क्वांटम अवस्था को तैयार करना है, जो अनिवार्य रूप से कणों को एक सटीक पैटर्न में व्यवस्थित करना है जो सूचना को एनकोड करता है, जैसे कि एक ध्वनि तरंग या एक मेडिकल इमेज। हालाँकि, क्योंकि ये मशीनें वर्तमान में शोरयुक्त (noisy) और अपूर्ण हैं, तैयार किया गया पैटर्न अक्सर आदर्श लक्ष्य से भटक जाता है। वास्तविक कठिनाई केवल पैटर्न बनाने में नहीं है, बल्कि यह सत्यापित करने में है कि क्या वह सही है। क्वांटम अवस्था की जाँच करने के पारंपरिक तरीके एक जटिल 3D मूर्तिकला को एक एकल फोटोग्राफ लेकर समझने की कोशिश करने के समान हैं; वे या तो इतने अधिक मापन (measurements) की मांग करते हैं कि कार्य असंभव हो जाता है, या वे पूरी तरह से विफल हो जाते हैं जब पैटर्न का एक विशिष्ट, संरचित आकार होता है बजाय इसके कि वह यादृच्छिक (random) हो। एक विश्वसनीय तरीके के बिना कि क्या अवस्था सही है, कंप्यूटर पर उन जटिल गणनाओं को करने के लिए भरोसा नहीं किया जा सकता जिसके लिए उसे बनाया गया था।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या का पूर्ण समाधान प्रदर्शित किया, सफलतापूर्वक एक वास्तविक क्वांटम कंप्यूटर पर एक जटिल क्वांटम अवस्था को तैयार और सत्यापित किया। उन्होंने क्वांटियम (Quantinuum) के H2-1 नामक मशीन का उपयोग किया, जो गणना करने के लिए ट्रैप्ड आयनों (trapped ions)—विद्युत रूप से आवेशित परमाणुओं जिन्हें विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों द्वारा स्थिर रखा जाता है—पर निर्भर करती है। टीम ने एक व्यावहारिक और संरचित लक्ष्य चुना: एक डिजिटाइज़्ड ध्वनिक संकेत (acoustic signal) का एक खंड, विशेष रूप से एक शांत कक्ष में रिकॉर्ड की गई ध्वनि तरंग। उन्होंने इस ध्वनि को 13 क्वांटम बिट्स, या क्वबिट्स (qubits) की एक प्रणाली में एनकोड किया, जिससे एक ऐसी अवस्था बनी जो समय के साथ ध्वनि के दबाव के उतार-चढ़ाव का प्रतिनिधित्व करती थी। लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे इस अवस्था को हार्डवेयर पर बना सकते हैं और उच्च विश्वास के साथ सिद्ध कर सकते हैं कि मशीन सफल रही है, और यह सब प्रक्रिया को कुशल बनाए रखने के लिए न्यूनतम मापन का उपयोग करते हुए।
शोधकर्ताओं ने इसे प्राप्त करने के लिए दो-भागों वाली रणनीति अपनाई। सबसे पहले, उन्होंने एक सर्किट डिजाइन करने के लिए टेंसर नेटवर्क (tensor networks) के रूप में ज्ञात गणितीय संरचनाओं पर आधारित एक विधि का उपयोग किया जो ध्वनि तरंग पैटर्न उत्पन्न कर सके। इस दृष्टिकोण ने उन्हें जटिल ध्वनि को सरल परतों में तोड़ने की अनुमति दी, जिससे एक ऐसा सर्किट बना जो शोर के कारण बिखरने से पहले वर्तमान हार्डवेयर पर चलने के लिए पर्याप्त छोटा था। वे उच्च सटीकता के साथ अवस्था को तैयार करने में सफल रहे, 0.92-9 का हार्डवेयर फिडेलिटी (fidelity) प्राप्त किया। यह संख्या दर्शाती है कि मशीन द्वारा निर्मित अवस्था आदर्श सैद्धांतिक लक्ष्य से 92.9% समान थी, जो एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है, यह देखते हुए कि मशीन अभी तक पूर्ण नहीं है।
दूसरा, और शायद अधिक महत्वपूर्ण, उनके कार्य का दूसरा भाग इस परिणाम को सत्यापित करना था। मानक सत्यापन तकनीकें ध्वनि तरंगों जैसे संरचित डेटा के साथ संघर्ष करती हैं क्योंकि उनके पीछे का गणित अत्यधिक कठिन हो जाता है, जिसमें अवस्था की पुष्टि करने के लिए असंभव संख्या में नमूने (samples) की आवश्यकता होती है। टीम ने एक चतुर समाधान पेश किया: एक प्री-मेज़रमेंट (pre-measurement) चरण जो मापन से पहले क्वांटम अवस्था को देखने के तरीके को बदल देता है। सरल सिंगल-क्विबिट गेट्स का उपयोग करके अवस्था को एक अलग परिप्रेक्ष्य में घुमाकर, उन्होंने उन जटिल पैटर्न को सुगम बना दिया जिन्होंने सत्यापन को कठिन बना दिया था। इस समायोजन ने एक कठिन गणितीय पैरामीटर को, जो यह निर्धारित करता है कि कितने मापन की आवश्यकता है, दस से अधिक क्रमों (orders of magnitude) से कम कर दिया। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ था कि वे अवस्था को केवल 1,000 मापन के साथ सत्यापित कर सके, जो एक व्यावहारिक संख्या है, जबकि मूल विधि के लिए अनियंत्रित समय और संसाधनों की आवश्यकता होती।
परिणामों ने दिखाया कि यह संयुक्त दृष्टिकोण उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम करता है। जब टीम ने वास्तविक क्वांटम हार्डवेयर पर प्रयोग चलाया, तो सत्यापन पद्धति ने उच्च स्तर की निश्चितता के साथ अवस्था की पुष्टि की। उन्होंने मशीन के शोर के सिमुलेशन के साथ वास्तविक दुनिया के परिणामों की तुलना की, और दोनों आपस में निकटता से मेल खाते थे, जो यह सिद्ध करता है कि उनकी विधि ने उपकरण के व्यवहार को सटीक रूप से कैप्चर किया है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि संरचित, वास्तविक दुनिया के डेटा को क्वांटम हार्डवेयर पर तैयार करना और उसे तेजी से और विश्वसनीय रूप से सत्यापित करना संभव है, बिना उन विशाल, त्रुटि-सुधारने वाली मशीनों की आवश्यकता के जो अभी भी वर्षों दूर हैं। एक छोटे संख्या में शॉट्स (shots) में एक मजबूत सत्यापन प्रक्रिया को संकुचित करके, शोधकर्ताओं ने क्वांटम कंप्यूटरों के परीक्षण के लिए एक नया मानक प्रदान किया है, जो संरचित डेटा एनकोडिंग के लिए सैद्धांतिक संभावना से व्यावहारिक वास्तविकता की ओर बदलाव लाता है।
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