Error Correction in a Distributed Quantum Computer
यह शोध पत्र दो अलग-अलग ट्रैप्ड-आयन प्रोसेसरों के बीच एंटैंगलमेंट उत्पन्न करके रिमोट सिंड्रोम माप (remote syndrome measurements) करने के माध्यम से वितरित क्वांटम त्रुटि पहचान और सुधार का पहला प्रयोगात्मक प्रदर्शन प्रस्तुत करता है, जो सफलतापूर्वक फेज-फ्लिप त्रुटियों का पता लगाता है और एक वितरित तार्किक क्वबिट (distributed logical qubit) पर किसी भी मनमाने सिंगल-क्विबिट पॉली त्रुटियों को सक्रिय रूप से सुधारता है।
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आज की मशीनों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने के लिए एक कंप्यूटर बनाने हेतु, वैज्ञानिक क्वांटम मैकेनिक्स नामक भौतिकी के एक विचित्र और शक्तिशाली रूप की ओर मुड़ रहे हैं। ये भविष्य की मशीनें, जिन्हें क्वांटम कंप्यूटर के रूप में जाना जाता है, क्यूबिट्स (qubits) नामक सूचना की सूक्ष्म इकाइयों पर निर्भर करती हैं। एक मानक कंप्यूटर के बिट्स के विपरीत, जो या तो शून्य या एक होते हैं, क्यूबिट्स एक ही समय में दोनों होने की एक नाजुक अवस्था में रह सकते हैं। यह उन्हें एक साथ सूचना की विशाल मात्रा को संसाधित करने की अनुमति देता है। हालांकि, यह नाजुक प्रकृति ही उनकी सबसे बड़ी कमजोरी भी है। गर्मी, कंपन या बिखरे हुए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों से होने वाली मामूली सी गड़बड़ी भी एक क्यूबिट को उसकी सूचना खोने के लिए मजबूर कर सकती है, जिसे 'त्रुटि' (error) कहा जाता है। एक उपयोगी मशीन बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन नाजुक अवस्थाओं की रक्षा करने का तरीका खोजना होगा। इसका समाधान सूचना को कई भौतिक क्यूबिट्स में फैलाना है, जिससे एक एकल, सुदृढ़ तार्किक इकाई (logical unit) बनाई जा सके। यदि समूह का एक हिस्सा गलती करता है, तो दूसरे हिस्से उसे पहचान सकते हैं और सूचना को नष्ट किए बिना उसे ठीक कर सकते हैं। इस प्रक्रिया को 'एरर करेक्शन' (त्रiti सुधार) कहा जाता है, और यह क्वांटम कंप्यूटिंग की पूर्ण क्षमता को अनलॉक करने की अनिवार्य कुंजी है।
वर्षों से, शोधकर्ता एक ही एकल, अलग उपकरण के भीतर इस त्रुटि सुधार को करने में सक्षम रहे हैं। लेकिन जैसे-जैसे अधिक शक्तिशाली कंप्यूटरों की आवश्यकता बढ़ती जा रही है, एक एकल मशीन पर्याप्त नहीं होगी। अगला कदम कई छोटे उपकरणों को जोड़कर एक विशाल, वितरित नेटवर्क बनाना है। 'मॉड्यूलर आर्किटेक्चर' के रूप में जानी जाने वाली यह पद्धति वैज्ञानिकों को एक विशाल चिप में सब कुछ फिट करने के बजाय अधिक प्रोसेसर जोड़कर विस्तार करने की अनुमति देती है। चुनौती यह है कि इन अलग-अलग प्रोसेसरों को त्रुटि सुधार करने के लिए एक-दूसरे से बात करनी होगी। उन्हें एक मशीन के क्यूबिट्स की स्थिति की तुलना दूसरी मशीन के क्यूबिट्स से करनी होगी, जो मीलों दूर हो, बिना कणों को भौतिक रूप से हिलाए। अब तक, इस विशिष्ट कार्य को—अर्थात दूर स्थित क्यूबिट्स के बीच के संबंध को मापने के लिए ताकि त्रुटियों को पकड़ा जा सके—एक वास्तविक प्रयोग में सफलतापूर्वक प्रदर्शित नहीं किया गया था।
ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस मील के पत्थर को हासिल कर लिया है। उन्होंने एक छोटा-स्केल का क्वांटम नेटवर्क बनाया जिसमें दो अलग-अलग प्रोसेसर थे, जिन्हें उनके प्रयोगशाला में लगभग दो मीटर की दूरी पर रखा गया था। प्रत्येक प्रोसेसर में 'ट्रैप्ड आयन' (trapped ions) थे, जो विद्युत क्षेत्रों द्वारा निर्वात (vacuum) में निलंबित व्यक्तिगत परमाणु थे। ये आयन क्यूबिट्स के रूप में कार्य करते थे। दोनों मशीनों को जोड़ने के लिए, वैज्ञानिकों ने प्रकाश का उपयोग किया। उन्होंने आयनों को फोटॉन, या प्रकाश के कण, उत्सर्जित करने के लिए प्रेरित किया, और फिर इन फोटॉन को एक केंद्रीय बिंदु की ओर निर्देशित किया जहाँ वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) कर सकें। इस परस्पर क्रिया ने दो दूरस्थ प्रोसेसरों के बीच 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) नामक एक विशेष लिंक बनाया। इस अवस्था में, दोनों प्रोसेसर एक एकल, साझा प्रणाली बन गए, भले ही वे भौतिक रूप से अलग थे।
यह लिंक स्थापित होने के बाद, टीम ने परीक्षण किया कि क्या वे इसका उपयोग त्रुटि का पता लगाने के लिए कर सकते हैं। उन्होंने दो प्रोसेसरों में एक सूचना के टुकड़े को एनकोड किया, प्रभावी रूप से एक एकल 'लॉजिकल क्यूबिट' बनाया जो एक ही समय में दोनों स्थानों पर मौजूद था। इसके बाद उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की त्रुटि, "फेज फ्लिप" (phase flip) को पेश किया, जो क्वांटम सूचना के गलत होने का एक सामान्य तरीका है। दूरस्थ क्यूबिट्स के बीच के संबंध को अपने एंटैंगल्ड लिंक का उपयोग करके मापकर, शोधकर्ता यह बता सके कि क्या कोई त्रुटि हुई थी। जब माप ने गलती का संकेत दिया, तो उन्होंने तुरंत प्रक्रिया को रोक दिया, सिस्टम को रीसेट किया और फिर से प्रयास किया। इस चक्र को दोहराकर, वे त्रुटियों को छानने और सही सूचना को सुरक्षित रखने में सक्षम रहे। उन्होंने पाया कि यह विधि सफलतापूर्वक त्रुटियों को कम करती है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वे दो अलग-अलग मशीनों में फैले एक लॉजिकल क्यूबिट की रक्षा कर सकते हैं।
इस प्रयोग ने न केवल त्रुटियों का पता लगाने, बल्कि उन्हें सक्रिय रूप से ठीक करने के मामले में एक कदम आगे बढ़ाया। शोधकर्ताओं ने दो प्रोसेसरों के बीच एक विशिष्ट, अत्यधिक एंटैंगल्ड अवस्था तैयार की, जिसे 'बेल स्टेट' (Bell state) कहा जाता है। इसके बाद उन्होंने सूचना को अस्त-व्यस्त करने के लिए यादृच्छिक शोर (random noise) पेश किया। उसी रिमोट लिंक का उपयोग करते हुए, उन्होंने यह देखने के लिए सिस्टम को मापा कि किस प्रकार की गलती हुई थी। उस माप के परिणाम के आधार पर, उन्होंने प्रोसेसरों को एक सटीक सुधार लागू करने के लिए एक क्लासिकल सिग्नल वापस भेजा। यह वास्तविक समय (real time) में हुआ। सिस्टम ने त्रुटि का पता लगाया, निष्कर्ष को संप्रेषित किया, और सूचना के खोने से पहले ही अवस्था को ठीक कर दिया। परिणाम यह था कि एंटैंगल्ड अवस्था की गुणवत्ता उच्च बनी रही, भले ही उसके आसपास का शोर बढ़ गया था। सक्रिय सुधार के बिना, यह अवस्था तेजी से खराब हो जाती।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक बड़े पैमाने के, फॉल्ट-टोलरेंट (दोष-सहिष्णु) क्वांटम कंप्यूटर के मूलभूत घटक एक नेटवर्क पर संचालित हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि प्रोसेसरों के बीच आवश्यक लिंक उत्पन्न करना, दूरस्थ क्यूबिट्स की स्थिति को मापना और उस जानकारी का उपयोग त्रुटियों को सुधारने के लिए करना संभव है। हालांकि वर्तमान प्रणाली छोटी है और त्रुटि दर अभी भी पूर्ण-स्तरीय कंप्यूटर के लिए पर्याप्त कम नहीं है, लेकिन यह प्रयोग सिद्ध करता है कि अवधारणा काम करती है। मुख्य बाधाएं तकनीकी हैं, जैसे कि कनेक्शन की गति में सुधार करना और आयनों को संचालित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गेट्स की गुणवत्ता बढ़ाना, न कि विचार में कोई मौलिक कमी। स्थानीय क्वांटम तर्क को रिमोट कनेक्शन के साथ जोड़कर, यह शोध उन क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण की ओर एक स्पष्ट मार्ग खोलता है जो दुनिया की सबसे जटिल समस्याओं को हल करने के लिए पर्याप्त बड़े हों।
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