A Chip-scale Space-time Multiplexed Gaussian Boson Sampling Processor Beyond 10,000 Photons
यह शोध पत्र एक थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट चिप पर पहले चिप-स्केल स्पेस-टाइम मल्टीप्लेक्सड गॉसियन बोसन सैंपलिंग सिस्टम की रिपोर्ट करता है, जो 4-GHz क्लॉक रेट के साथ 11,000 से अधिक डिटेक्टेड फोटॉन प्राप्त करता है और शास्त्रीय बेसलाइन की तुलना में बेहतर भौतिक डायनेमिक्स मॉडलिंग क्षमताओं का प्रदर्शन करता है।
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उन मशीनों को बनाने की दौड़ में जो आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए असंभव समस्याओं को हल कर सकें, वैज्ञानिक लंबे समय से प्रकाश की ओर मुड़े हैं। पारंपरिक कंप्यूटरों की तरह सिलिकॉन चिप्स के माध्यम से बिजली का उपयोग करने के बजाय, ये नई मशीनें सूचना ले जाने के लिए फोटोन, या प्रकाश के कणों की धाराओं का उपयोग करती हैं। इसे करने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक है 'गौसियन बोसन सैंपलिंग'। एक जटिल भूलभुलैया की कल्पना करें जहाँ प्रकाश के कण एक छोर पर प्रवेश करते हैं और बाहर निकलने से पहले दर्पणों से टकराते हैं और रास्तों में विभाजित होते हैं। क्योंकि प्रकाश के कण अजीब, क्वांटम तरीकों से व्यवहार करते हैं, वे एक साथ कई पथ ले सकते हैं, जिससे निकास का एक ऐसा पैटर्न बनता है जिसकी भविष्यवाणी करना या गणना करना अविश्वसनीय रूप से कठिन होता है। हालांकि यह संयोग के एक साधारण खेल जैसा लगता है, लेकिन संभावित परिणामों की संख्या इतनी तेजी से बढ़ती है कि दुनिया के सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटर भी परिणाम का पता लगाने में हजारों साल लगा देंगे। यही वह कठिनाई है जिसे शोधकर्ता "क्वांटम एडवांटेज" (क्वांटम लाभ) कहते हैं, जो एक मील का पत्थर है जो यह सिद्ध करता है कि एक मशीन शास्त्रीय कंप्यूटिंग की सीमाओं से आगे निकल गई है। हालाँकि, इन प्रकाश-आधारित मशीनों को बनाना एक संघर्ष रहा है। पिछले प्रयासों में अलग-अलग दर्पणों और लेंसों से भरी भारी मेजों पर निर्भरता थी जिन्हें हाथ से अत्यधिक सटीकता के साथ संरेखित करना पड़ता था। ये सेटअप नाजुक, अस्थिर और स्केल करने में कठिन थे, जिससे प्रयोगशाला की जिज्ञासा से एक व्यावहारिक उपकरण बनना मुश्किल हो गया था।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब पूरे सिस्टम को एक ही चिप में समेटकर इन बाधाओं को पार कर लिया है, जिससे एक ऐसा उपकरण बनाया गया है जो एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में बड़ी संख्या में प्रकाश कणों को संभाल सकता है। एक नए अध्ययन में प्रकाशित, यह कार्य पहले चिप-स्केल सिस्टम का वर्णन करता है जो स्थान और समय दोनों में प्रकाश को मिलाने के लिए 'स्पेस-टाइम मल्टीप्लेक्सिंग' नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करता है। उपकरणों से भरे एक बड़े भौतिक कमरे की आवश्यकता के बजाय, शोधकर्ताओं ने लिथियम नाइओबेट के एक पतले टुकड़े पर सीधे सूक्ष्म पथों, दर्पणों और स्विचों का एक नेटवर्क बनाया, जो उच्च गति पर प्रकाश को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाने वाला एक विशेष क्रिस्टल है। यह चिप प्रकाश के कारखाने के रूप में कार्य करता है, जहाँ पल्स को लूप के माध्यम से भेजा जाता है और विभिन्न पथों में विभाजित किया जाता है, जिसे प्रति सेकंड अरबों बार चालू और बंद होने वाले विद्युत संकेतों द्वारा नियंत्रित किया जाता है। परिणाम एक ऐसी मशीन है जो न केवल स्थिर और सघन है, बल्कि एक मिलीसेकंड में दस हजार से अधिक प्रकाश कणों को उत्पन्न करने और पहचानने में भी सक्षम है। यह पैमाना पिछले किसी भी चिप-आधारित सिस्टम द्वारा हासिल किए गए स्तर से कहीं आगे है, जो प्रकाश-आधारित कंप्यूटिंग की संभावनाओं की सीमाओं को आगे बढ़ाता है।
शोधकर्ताओं के दल ने, जिसका नेतृत्व शंघाई जियाओ टोंग यूनिवर्सिटी और ट्यूरिंगक्यू (TuringQ) की एक टीम ने किया, चिप दोषरहित हो यह सुनिश्चित करने के लिए निर्माण प्रक्रिया को पूर्ण करने में वर्षों बिताए। उन्होंने इन उपकरणों को बड़े वेफर्स पर बनाने के लिए एक समर्पित उत्पादन लाइन बनाई, जिसमें प्रकाश के नुकसान को कम करने के लिए हर चरण को सावधानीपूर्वक परिष्कृत किया गया। अंतिम उपकरण 4 गीगाहर्ट्ज़ की क्लॉक स्पीड पर काम करता है, जिसका अर्थ है कि यह एक सेकंड में चार अरब बार डेटा प्रोसेस करता है। इसकी क्षमताओं का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने चिप में 'स्क्वीज्ड लाइट' (एक विशेष अवस्था जहाँ प्रकाश के कणों को इस तरह तैयार किया जाता है कि उनका क्वांटम व्यवहार अधिकतम हो जाए) को इंजेक्ट किया। प्रकाश फिर इंटरफेरोमीटर के एक जटिल नेटवर्क के माध्यम से यात्रा करता है, जो प्रकाश तरंगों को विभाजित और पुनर्संयोजित करने वाले उपकरण हैं, और विलंब लूप (delay loops) जो प्रकाश को एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से के लिए रोक कर रखते हैं। जब तक प्रकाश अंत में डिटेक्टरों तक पहुँचता है, सिस्टम ने डिटेक्शन इवेंट्स की एक विशाल संख्या उत्पन्न कर दी होती है, जिसमें सबसे बड़ा एकल नमूना 11,059 फोटोन का था। यह संख्या महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इतनी बड़ी है कि शास्त्रीय कंप्यूटर पर इसके परिणाम का अनुकरण करना व्यावहारिक रूप से असंभव होगा, जो पुष्टि करता है कि मशीन वास्तव में उस स्तर की जटिलता तक पहुँच गई है जो पारंपरिक गणना को चुनौती देती है।
यह साबित करने के लिए कि मशीन वास्तव में एक क्वांटम डिवाइस के रूप में काम कर रही थी और केवल एक सरल, शास्त्रीय ट्रिक के साथ परिणामों की नकल नहीं कर रही थी, टीम ने कठोर जाँच की। उन्होंने अपनी मशीन द्वारा पहचाने गए प्रकाश के पैटर्न की तुलना उस सिद्धांत से की जो एक वास्तविक क्वांटम प्रणाली के लिए अनुमानित था, और उस तुलना से भी की जो तब होती यदि प्रकाश केवल सामान्य गर्मी या एक मानक लेजर होता। परिणाम क्वांटम भविष्यवाणियों के साथ लगभग पूरी तरह से मेल खाते थे, जबकि अन्य संभावनाओं को स्पष्ट रूप से खारिज कर दिया गया था। उन्होंने सांख्यिकीय तरीकों का भी उपयोग किया जिससे यह दिखाया जा सके कि मशीन द्वारा उत्पन्न डेटा वास्तव में उस जटिल क्वांटम प्रक्रिया से आ रहा है जिसे उन्होंने डिजाइन किया था, न कि किसी नकली या सरलीकृत मॉडल से। इन परीक्षणों ने पुष्टि की कि सिस्टम सही, अत्यधिक जटिल क्वांटम अवस्थाओं का उत्पादन कर रहा था, जो एक ही छोटी चिप पर हाई-स्पीड मॉड्यूलेटर, डिले लाइन्स और डिटेक्शन नेटवर्क को एकीकृत करने की इंजीनियरिंग उपलब्धि को प्रमाणित करता है।
केवल यह सिद्ध करने के अलावा कि मशीन काम करती है, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह तकनीक अमूर्त गणनाओं से कहीं अधिक उपयोगी हो सकती है। उन्होंने उसी चिप को एक "वर्ल्ड मॉडल" के रूप में पुनर्गठित किया, जो एक प्रकार का आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस सिस्टम है जो यह सीखने के लिए सीखता है कि भौतिक प्रणालियाँ समय के साथ कैसे बदलती हैं। उन्होंने एक क्लासिक भौतिकी समस्या को चुना: हवा के एक सिलेंडर के पास से गुजरने पर उत्पन्न होने वाले वायु और दबाव के भंवर पैटर्न, जिसे कार्मन वोर्टेक्स स्ट्रीट (Kármán vortex street) के रूप में जाना जाता है। चिप को इस दबाव क्षेत्र के स्नैपशॉट लेने, अपने आंतरिक प्रकाश लूपों का उपयोग करके प्रवाह के इतिहास को याद रखने और फिर यह भविष्यवाणी करने के लिए प्रोग्राम किया गया था कि एक क्षण बाद दबाव कैसा दिखेगा। इसे उसी कार्य के लिए डिज़ाइन किए गए एक मानक कंप्यूटर प्रोग्राम के साथ तुलना करने पर, प्रकाश-आधारित प्रणाली ने पैटर्न को सीखने के लिए बहुत कम समायोज्य सेटिंग्स का उपयोग करते हुए अधिक सटीक भविष्यवाणियां कीं। यह सुझाव देता है कि चिप पर प्रकाश के मिश्रण और सूचना को याद रखने का अनूठा तरीका भौतिकी और इंजीनियरिंग में जटिल समस्याओं को हल करने के लिए एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान कर सकता है, जो इस तकनीक को गति के प्रदर्शन से वास्तविक दुनिया की खोज के उपकरण की ओर ले जाता है।
इस परियोजना की सफलता फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण मोड़ है। वर्षों से, चुनौती ऐसे सिस्टम बनाने की रही है जो न केवल क्वांटम एडवांटेज दिखाने के लिए पर्याप्त बड़े हों, बल्कि उपयोगी होने के लिए पर्याप्त स्थिर और प्रोग्राम करने योग्य भी हों। सब कुछ एक ही चिप पर एकीकृत करके और एक ऐसी निर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके जिसे बढ़ाया जा सके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि ये मशीनें भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक विश्वसनीयता और लचीलेपन के साथ बनाई जा सकती हैं। इतनी उच्च गति और सटीकता के साथ प्रकाश को नियंत्रित करने की क्षमता उन उपकरणों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलती है जो सामग्री विज्ञान, जलवायु मॉडलिंग और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस जैसी समस्याओं से निपट सकते हैं। जैसे-जैसे यह तकनीक परिपक्व होती जा रही है, जिसमें प्रकाश स्रोतों और डिटेक्टरों जैसे और भी अधिक घटकों को सीधे चिप पर एकीकृत करने की योजना है, एक ही सिलिकॉन के टुकड़े पर निर्मित एक बहुमुखी, प्रोग्राम करने योग्य क्वांटम कंप्यूटर का दृष्टिकोण एक मूर्त वास्तविकता बनता जा रहा है।
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