Parametric two-qubit gates via Landau-Zener interference
यह शोध पत्र लैंडौ-ज़ेनर इंटरफेरेंस (Landau-Zener interference) पर आधारित एक तेज़, ट्यूनेबल टू-क्यूबिट गेट का प्रस्ताव और प्रयोगात्मक प्रदर्शन करता है जो मॉड्यूलर चिपलेट और मोनोलिथिक ट्रांसमोन आर्किटेक्चर दोनों पर कार्य करता है, जो नियंत्रण के मल्टीप्लेक्सिंग और सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसरों को आपस में जोड़ने के लिए एक अनूठा समाधान प्रदान करता है।
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एक ऐसा कंप्यूटर बनाने के लिए जो आज की किसी भी मशीन की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सके, वैज्ञानिक क्वांटम मैकेनिक्स के विचित्र नियमों की ओर मुड़ रहे हैं। वे परमाणुओं की तरह व्यवहार करने वाले सूक्ष्म सर्किटों का उपयोग करके प्रोसेसर बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जो ऐसी अवस्थाओं में सूचना को रखते हैं जो एक साथ कई संभावनाओं में मौजूद हो सकती हैं। ये सर्किट, जिन्हें सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स (superconducting qubits) कहा जाता है, ऐसे मशीन के निर्माण के लिए प्रमुख दावेदार हैं। हालांकि, इन कंप्यूटरों के काम करने के लिए, व्यक्तिगत क्यूबिट्स को एक-दूसरे से बात करने में सक्षम होना चाहिए, यानी गणना करने के लिए सूचना का आदान-प्रदान करना चाहिए। यह बातचीत एक टू-क्यूबिट गेट (two-qubit gate) के माध्यम से होती है, जो एक ऐसा तंत्र है जो दो क्यूबिट्स को आपस में तब तक जोड़ता है जब तक कि वे परस्पर क्रिया न कर लें और फिर उन्हें मुक्त कर देता है। चुनौती यह है कि ये अंतःक्रियाएं अविश्वसनीय रूप से तेज और सटीक होनी चाहिए, फिर भी इन्हें तब नहीं होना चाहिए जब वे वांछित न हों, अन्यथा आसपास के शोर (noise) के कारण नाजुक क्वांटम सूचना खो सकती है। वर्षों से, इसे प्रबंधित करने का मानक तरीका एक निश्चित, निष्क्रिय लिंक का उपयोग करना रहा है जिसे माइक्रोवेव द्वारा चालू और बंद किया जाता है, या क्यूबिट्स की ऊर्जा को धीरे-धीरे बदलकर नियंत्रित किया जाता है। प्रभावी होने के बावजूद, ये विधियां अक्सर गति के मामले में संघर्ष करती हैं या जटिल, कठोर नियंत्रण प्रणालियों की आवश्यकता होती हैं जो एक एकल प्रोसेसर में कितने क्यूबिट्स जुड़े हो सकते हैं, इसकी सीमा तय करती हैं।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन क्यूबिट्स को आपस में बात कराने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है, जो पिछले तरीकों की तुलना में अधिक तेज़ और लचीला है। उन्होंने एक प्रणाली बनाई जहाँ तीन क्यूबिट्स एक रेखा में व्यवस्थित हैं: सिरों पर दो जो डेटा रखते हैं, और बीच में एक जो एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करता है। मध्य क्यूबिट को जोड़ने के लिए माइक्रोवेव का उपयोग करने के बजाय, वे मध्य क्यूबिट को ऊर्जा में लयबद्ध रूप से आगे-पीछे धकेलते हैं, जिससे वह बार-बार डेटा क्यूबिट्स के पथ को पार करने के लिए मजबूर होता है। जैसे ही मध्य क्यूबिट दूसरों के पास से गुजरता है, वह एक क्वांटम व्यतिकरण पैटर्न (interference pattern) बनाता है, ठीक वैसे ही जैसे प्रकाश तरंगें एक-दूसरे से मिलने पर एक-दूसरे को रद्द कर सकती हैं या बढ़ा सकती हैं। इन क्रॉसिंग्स के समय को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे सूचना को एक छोर वाले क्यूबिट से दूसरे तक कूदने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जिससे मध्य सेतु बिल्कुल अपनी प्रारंभिक अवस्था में ही रहता है। यह प्रक्रिया, जो लैंडौ-ज़ेनर ट्रांज़िशन (Landau-Zener transitions) नामक घटना पर निर्भर करती है, उन्हें बहुत धीमी गति से लेकर प्रति सेकंड करोड़ों चक्रों तक, आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में अंतःक्रिया की गति और समय को ट्यून करने की अनुमति देती है।
शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण दो अलग-अलग प्रकार के सुपरकंडक्टिंग हार्डवेयर पर किया। पहला एक मॉड्यूलर डिज़ाइन था जहाँ क्यूबिट्स को अलग-अलग चिप्स पर बनाया गया था और उन्हें आपस में जोड़ा गया था, जबकि दूसरा एक ठोस सामग्री का एक एकल टुकड़ा था जिसमें सभी घटक एक ही सतह पर थे। दोनों मामलों में, वे सफलतापूर्वक एक डेटा क्यूबिट से दूसरे में क्वांटम सूचना स्थानांतरित करने में सफल रहे। जब उन्होंने सिस्टम को सही लय के लिए ट्यून किया, तो डेटा क्यूबिट्स ने अपनी अवस्थाओं को पूरी तरह से बदल लिया, जबकि मध्य सेतु अपनी मूल अवस्था में वापस आ गया, जिससे वह एक आदर्श संदेशवाहक के रूप में कार्य करता है। टीम ने दिखाया कि वे अपनी पसंद की लगभग किसी भी आवृत्ति पर इस स्वैप (swap) को पूरा कर सकते हैं, बस मध्य क्यूबिट पर दिए गए धक्के की शक्ति और समय को समायोजित करके। यह लचीलापन पुराने तरीकों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जो अक्सर आवृत्तियों की एक संकीर्ण सीमा में बंधे होते हैं। अपने प्रयोगों में, शोधकर्ता इन स्वैप को कुछ सौ नैनोसेकंड में पूरा करने में सक्षम थे, जो एक ऐसी गति है जो क्यूबिट्स के बीच जुड़ाव की मजबूती द्वारा निर्धारित सैद्धांतिक सीमा के करीब है।
इस कार्य का सबसे आकर्षक पहलू यह है कि डेटा क्यूबिट्स को स्वयं नियंत्रण सिग्नल द्वारा छूने की आवश्यकता नहीं होती है। वे अपनी सबसे स्थिर स्थितियों में शांति से रह सकते हैं, विद्युत शोर से सुरक्षित, जबकि मध्य क्यूबिट सूचना को लाने-ले जाने का सारा काम करता है। यह क्वांटम कंप्यूटरों को बड़े पैमाने पर ले जाने (scaling up) के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है, क्योंकि इसका अर्थ है कि नाजुक डेटा क्यूबिट्स को लगातार नियंत्रण पल्स से बमबारी करने की आवश्यकता नहीं है जो उनकी अवस्था को बाधित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि प्रक्रिया को बीच में रोककर, वे उलझे हुए युग्म (entangled pairs) बना सकते हैं, जो कणों की एक विशेष स्थिति है जहाँ दो कण इस तरह से जुड़ जाते हैं जो शास्त्रीय भौतिकी को चुनौती देता है। यह क्षमता बताती है कि इस विधि का उपयोग न केवल सूचना को बदलने के लिए, बल्कि उन्नत गणनाओं के लिए आवश्यक जटिल क्वांटम अवस्थाओं को उत्पन्न करने के लिए भी किया जा सकता है।
टीम ने इन स्वैप की सटीकता को मापा और पाया कि वे अत्यधिक विश्वसनीय हैं, जिसमें उनके सबसे तेज़ परीक्षणों में सूचना लगभग 98 प्रतिशत बार सही ढंग से स्थानांतरित हुई। उन्होंने उल्लेख किया कि यह संख्या वर्तमान में इस बात से सीमित है कि क्यूबिट्स अपनी अवस्था को कितनी देर तक बनाए रख सकते हैं इससे पहले कि प्राकृतिक पर्यावरणीय शोर के कारण वे सुसंगतता (coherence) खो दें। हालांकि, उनके सिमुलेशन बताते हैं कि यदि हार्डवेयर में सुधार किया जाए ताकि वे अवस्थाओं को लंबे समय तक बनाए रख सकें, तो सटीकता बढ़कर लगभग 99.9 प्रतिशत हो सकती है। प्रदर्शन का यह स्तर, गेट की गति और आवृत्ति को चलते-चलते ट्यून करने की क्षमता के साथ मिलकर, भविष्य के क्वांटम प्रोसेसरों में बड़ी संख्या में क्यूबिट्स को जोड़ने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। दो बहुत ही अलग हार्डवेयर प्लेटफार्मों पर इस व्यतिकरण-आधारित विधि के काम करने को सिद्ध करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि यह अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए एक मजबूत और बहुमुखी उपकरण है।
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