Distributed variational quantum computing with deterministic entanglement tuning

एक शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज एक मौलिक बाधा का सामना कर रही है: जैसे-जैसे ये मशीनें अधिक जटिल समस्याओं को हल करने के लिए बड़ी होती जाती हैं, इनके काम करने वाले हिस्से एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने लगते हैं, जिससे ऐसी त्रुटियां उत्पन्न होती हैं जो गणना को बर्बाद कर सकती हैं। इससे बचने के लिए, वैज्ञानिकों ने मॉड्यूलर सिस्टम बनाने का प्रस्ताव दिया है, जहाँ कई छोटे क्वांटम प्रोसेसरों को एक साथ जोड़कर एक एकल, विशाल मशीन के रूप में कार्य करने के लिए जोड़ा जाता है। चुनौती उन्हें जोड़ने में निहित है। इन अलग-अलग इकाइयों को एक साथ काम करने के लिए, उन्हें 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) नामक एक विशेष प्रकार के संबंध को साझा करना होगा, जहाँ एक स्थान पर कण की स्थिति दूसरे दूर स्थित कण से तुरंत जुड़ी होती है। पारंपरिक रूप से, इस संबंध का उपयोग करके गणना करना ऐसा ही था जैसे दीवारों के लिए आवश्यक ईंटों का लगातार उपभोग करते हुए एक घर बनाने की कोशिश करना; हर बार जब आप प्रोसेसरों के बीच सूचना स्थानांतरित करना चाहते हैं, तो आप एंटैंगल्ड कणों की एक जोड़ी का उपयोग कर देते हैं, जो धीमा, अपव्ययकारी और त्रुटिपूर्ण है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन कनेक्शनों को प्रबंधित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है जो इस बर्बादी से बचता है। एंटैंगलमेंट को किसी कार्य को करने के लिए उपभोग करने के बजाय, उन्होंने दिखाया कि कैसे दो दूर स्थित क्वांटम प्रोसेसरों के बीच के लिंक की ताकत को नष्ट किए बिना उसे सावधानीपूर्वक समायोजित किया जा सकता है। यह विधि प्रोसेसरों को किसी विशिष्ट समस्या के लिए आवश्यक सटीक स्तर तक अपने कनेक्शन को ट्यून करने की अनुमति देती है, जिसमें केवल स्थानीय समायोजन और क्लासिकल कम्युनिकेशन का उपयोग किया जाता है। दो अलग-अलग वैज्ञानिक मॉडलों पर इस दृष्टिकोण का परीक्षण करके, शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि वे कनेक्शन की एक विस्तृत श्रृंखला में उच्च सटीकता के साथ क्वांटम अवस्थाओं (quantum states) को तैयार कर सकते हैं। यह वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग (distributed quantum computing) के लिए एक अधिक व्यावहारिक और कुशल मार्ग का सुझाव देता है, जहाँ ध्यान लगातार नए संसाधनों को उत्पन्न करने के बजाय पहले से साझा किए गए संसाधनों को कुशलतापूर्वक आकार देने पर केंद्रित होता है।

इस कार्य का मूल आधार उन सीमाओं को संबोधित करता है जिनका वैज्ञानिक वर्तमान में क्वांटम कंप्यूटरों को जोड़ने के लिए सामना करते हैं। एक वितरित सेटअप में, दो अलग-अलग मशीनें, मान लीजिए एलिस (Alice) और बॉब (Bob), मिलकर काम करने के लिए एंटैंगल्ड फोटोन की एक जोड़ी साझा करने की आवश्यकता होती है। अतीत में, यदि शोधकर्ताओं को एक विशिष्ट प्रकार के कनेक्शन की आवश्यकता होती थी जो उनके पास मौजूद कनेक्शन से कमजोर या मजबूत हो, तो उन्हें 'प्रोबेबिलिस्टिक फिल्टरिंग' (probabilistic filtering) नामक प्रक्रिया पर निर्भर रहना पड़ता था। यह कुछ ऐसा ही है जैसे एक विशिष्ट प्रकार की मछली पकड़ने के लिए जाल फेंकना और उम्मीद करना कि सही मछली मिल जाएगी; यदि नहीं मिलती है, तो आपको जाल को फेंकना पड़ता है और फिर से प्रयास करना पड़ता है। यह प्रयास-और-त्रुटि (trial-and-error) वाली विधि अक्षम है क्योंकि यह कई प्रयासों को त्याग देती है और पूरी प्रक्रिया को धीमा कर देती है। इसके अलावा, इन लिंक्ड मशीनों के बीच गणना करने का मानक तरीका, जिसे 'गेट टेलीपोर्टेशन' (gate teleportation) कहा जाता है, प्रत्येक गणना चरण के लिए एंटैंगल्ड कणों की एक नई जोड़ी के उपभोग की मांग करता है, जो संसाधनों के मामले में बहुत महंगा हो जाता है।

शोधकर्ताओं ने एक अलग रणनीति प्रस्तावित की जो एक गणितीय सिद्धांत पर आधारित है जो यह निर्धारित करता है कि क्वांटम अवस्थाओं को कैसे रूपांतरित किया जा सकता है। उन्होंने महसूस किया कि यदि आप एक मजबूत, पूर्ण कनेक्शन के साथ शुरुआत करते हैं, तो आप इसे बिना संसाधन खोए, निश्चित रूप से (deterministically) एक कमजोर या अलग आकार के कनेक्शन में बदल सकते हैं। उन्होंने इस विचार का परीक्षण करने के लिए प्रकाश कणों, या फोटोन का उपयोग करके एक प्रयोगात्मक सेटअप बनाया। उन्होंने एंटैंगल्ड फोटोन की जोड़ियाँ उत्पन्न कीं और उन्हें दो अलग-अलग स्टेशनों पर भेजा। एक स्टेशन पर, उन्होंने एक विशिष्ट माप (measurement) किया जिसने उन्हें दो फोटोन के बीच एंटैंगलमेंट की ताकत को समायोजित करने की अनुमति दी। महत्वपूर्ण बात यह है कि यह समायोजन कोई जुआ नहीं था; यह एक नियंत्रित ऑपरेशन था जो हमेशा सफल रहा। यदि माप ने एक निश्चित परिणाम दर्शाया, तो दूसरे फोटोन पर एक सरल सुधार लागू किया गया ताकि अंतिम कनेक्शन बिल्कुल वैसा ही हो जैसा वे चाहते थे। इस प्रक्रिया ने उन्हें एंटैंगल्ड जोड़ी को कभी भी त्याग बिना, बहुत कमजोर से लेकर बहुत मजबूत तक कनेक्शन की एक निरंतर श्रृंखला बनाने की अनुमति दी।

यह दिखाने के लिए कि यह ट्यूनिंग क्षमता वास्तविक कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी है, टीम ने दो प्रसिद्ध वैज्ञानिक समस्याओं को लागू किया। पहला, एक साधारण अणु का मॉडल बनाना जो हीलियम परमाणु और हाइड्रोजन आयन से बना है, एक ऐसा सिस्टम जिसका उपयोग अक्सर क्वांटम केमिस्ट्री एल्गोरिदम का परीक्षण करने के लिए किया जाता है। दूसरा, इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन की परस्पर क्रिया का एक मॉडल, जो भौतिकविदों को प्रकृति के मूलभूत बलों को समझने में मदद करता है। प्रत्येक समस्या के लिए, शोधकर्ताओं ने अपनी ट्यून करने योग्य एंटैंगलमेंट का उपयोग करके एक क्वांटम अवस्था तैयार की जो सिस्टम के निम्नतम ऊर्जा विन्यास (lowest energy configuration) का प्रतिनिधित्व करती है। उन्होंने पाया कि अणु या कण की परस्पर क्रिया की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप कनेक्शन की ताकत को समायोजित करके, वे ऊर्जा स्तरों की उच्च सटीकता के साथ गणना कर सकते हैं। अणु के मामले में, उनके परिणाम ज्ञात सैद्धांतिक मानों के अत्यंत करीब थे, जिसमें औसत त्रुटि केवल लगभग 0.010 हारट्री (Hartree) थी, जो परमाणु भौतिकी में ऊर्जा की एक मानक इकाई है। कण संपर्क मॉडल के मामले में, उन्होंने समान स्तर की सफलता प्राप्त की, जिससे पता चला कि उनकी विधि विभिन्न प्रकार की समस्याओं को प्रभावी ढंग से संभाल सकती है।

इस कार्य का महत्व इसकी दक्षता और विश्वसनीयता में निहित है। पिछले तरीकों के विपरीत, जिनमें प्रत्येक गणना चरण के लिए एंटैंगल्ड जोड़ों का उपभोग करना पड़ता था, यह नया प्रोटोकॉल शोधकर्ताओं को एंटैंगलमेंट संसाधन का पुन: उपयोग करने की अनुमति देता है। वे एक मजबूत लिंक के साथ शुरू कर सकते हैं और उसे वर्तमान समस्या की सटीक आवश्यकता के अनुसार कम कर सकते हैं। यह विशेष रूप से निकट-अवधि (near-term) के क्वांटम कंप्यूटरों के लिए महत्वपूर्ण है, जो अभी भी उन ऑपरेशनों की संख्या से सीमित हैं जिन्हें त्रुटियां आने से पहले वे कर सकते हैं। कनेक्शन प्रबंधन के ओवरहेड को कम करके, यह दृष्टिकोण कई प्रोसेसरों के बीच जटिल एल्गोरिदम चलाना अधिक व्यवहार्य बनाता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि हालांकि उनके वर्तमान प्रयोग में केवल दो सरल प्रोसेसरों का उपयोग किया गया था, लेकिन इस पद्धति को बढ़ाया जा सकता है। बड़े प्रोसेसरों के बीच एंटैंगल्ड कणों की अधिक जोड़ियाँ साझा करके, वे सैद्धांतिक रूप से बहुत अधिक जटिल प्रणालियों के लिए कनेक्शन को ट्यून कर सकते हैं, जिससे भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक लचीला ढांचा प्रदान होता है।

इस अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग का भविष्य निरंतर नए, पूर्ण कनेक्शन उत्पन्न करने पर नहीं, बल्कि पहले से मौजूद कनेक्शनों को आकार देने और उन्हें परिष्कृत करने की क्षमता पर निर्भर हो सकता है। टीम ने प्रदर्शित किया कि यह संभव है कि विशिष्ट स्तर की एंटैंगलमेंट को इंजीनियरिंग के माध्यम से बनाया जाए ताकि विभिन्न वैज्ञानिक समस्याओं की अनूठी आवश्यकताओं से मेल खा सके, और यह सब उच्च निष्ठा (fidelity) बनाए रखते हुए और पुरानी विधियों से जुड़ी बर्बादी से बचते हुए किया जा सकता है। यह नियतात्मक नियंत्रण (deterministic control) एक व्यावहारिक विकल्प प्रदान करता है, जो संभावित रूप से वैज्ञानिकों को रसायन विज्ञान और भौतिकी की उन समस्याओं को हल करने की अनुमति देगा जो वर्तमान में पहुंच से बाहर हैं। जैसे-जैसे यह क्षेत्र आगे बढ़ता है, क्वांटम प्रोसेसरों के बीच लिंक को सटीक रूप से ट्यून करने की क्षमता प्रोसेसरों के समान ही महत्वपूर्ण हो सकती है, जो स्केलिंग की चुनौती को अधिक कुशल और शक्तिशाली कंप्यूटिंग के अवसर में बदल सकती है।