Two-Dimensional Materials toward CMOS-Compatible Scalable Quantum Hardware

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज एक नए प्रकार की मशीन के आविष्कार के बारे में कम और अत्यधिक नाजुकता की समस्या को हल करने के बारे में अधिक है। इन मशीनों के केंद्र में क्यूबिट्स (qubits) होते हैं, जो सूचना की वे छोटी इकाइयाँ हैं जो एक मानक कंप्यूटर के साधारण ऑन-ऑफ स्विच के विपरीत, एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकती हैं। काम करने के लिए, इन क्यूबिट्स को पूर्ण व्यवस्था की स्थिति में रखा जाना चाहिए, जो मामूली कंपन, गर्मी या विद्युत शोर से पूरी तरह अलग हो। हालाँकि, वास्तविक दुनिया में, उन्हें बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियाँ शायद ही कभी पूर्ण होती हैं। उनमें सूक्ष्म खामियां, खुरदरे किनारे और विनिर्माण प्रक्रिया से बचे हुए रासायनिक अवशेष होते हैं, जो रेडियो लाइन पर स्टेटिक (static) की तरह कार्य करते हैं, और नाजुक सूचना के उपयोग में आने से पहले ही उसे अस्त-व्यस्त कर देते हैं। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन सतहों को चिकना करने और इन सामग्रियों को शुद्ध करने का प्रयास किया है, लेकिन जटिल चिप बनाने की प्रक्रिया अक्सर नई खामियां पैदा करती है जो क्वांटम अवस्था को समाप्त कर देती हैं।

एइंडहोवन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं का एक नया दृष्टिकोण बताता है कि समाधान एक अलग प्रकार की सामग्री में हो सकता है: द्वि-आयामी (two-dimensional) क्रिस्टल। ये ऐसी सामग्रियां हैं जो परमाणुओं की केवल एक एकल परत जितनी मोटी होती हैं, जैसे कि एक कागज की शीट जो एक परमाणु गहरी हो। क्योंकि वे इतनी पतली हैं और उनके किनारे स्वाभाविक रूप से साफ हैं, वे पारंपरिक सामग्रियों की तरह अव्यवस्थित और खुरदरी इंटरफेस के बिना क्वांटम उपकरण बनाने का एक तरीका प्रदान करती हैं। शोधकर्ता एक व्यावहारिक प्रश्न पूछ रहे हैं: क्या उन औद्योगिक तरीकों का, जो पहले से ही इन अति-पतली शीटों को अगली पीढ़ी के कंप्यूटर चिप्स में डालने के लिए विकसित किए जा रहे हैं, भविष्य के क्वांटम प्रोसेसर बनाने के लिए भी उपयोग किया जा सकता है? उत्तर अभी तक सरल 'हाँ' नहीं है, लेकिन आगे का रास्ता स्पष्ट होता जा रहा है। टीम ने मानचित्रित किया है कि ये सामग्रियां वर्तमान में कहाँ काम कर रही हैं, कहाँ विफल हो रही हैं, और प्रयोगशाला की जिज्ञासाओं को बड़े पैमाने पर उत्पादित तकनीक में बदलने के लिए वास्तव में किन प्रयोगों की आवश्यकता है।

एक एकल, हाथ से असेंबल किए गए उपकरण से लेकर एक फैक्ट्री-निर्मित क्वांटम प्रोसेसर तक की यात्रा बाधाओं से भरी है। प्रयोगशाला में, एक वैज्ञानिक सूक्ष्मदर्शी के नीचे एक बड़े क्रिस्टल से द्वि-आयामी सामग्री का एक छोटा सा टुकड़ा सावधानी से छील सकता है और उसे दूसरे टुकड़े के साथ जोड़ सकता है ताकि एक एकल क्यूबिट बनाया जा सके। यह एक या दो उपकरणों के लिए काम करता है, लेकिन इसे बड़े पैमाने पर नहीं बढ़ाया जा सकता। हजारों क्यूबिट वाला कंप्यूटर बनाने के लिए, प्रक्रिया पुनरुत्पादक (reproducible), समान और उन विशाल कारखानों के अनुकूल होनी चाहिए जो वर्तमान में सिलिकॉन चिप्स बनाते हैं। शोधकर्ता बताते हैं कि हालांकि हमने व्यक्तिगत द्वि-आमामी क्यूबिट्स के साथ प्रभावशाली परिणाम देखे हैं, लेकिन हमने अभी तक उन्हें बड़े, विश्वसनीय सरणियों (arrays) में एक साथ काम करते हुए नहीं देखा है। एक सफल प्रयोग और एक निर्माण योग्य उत्पाद के बीच का अंतर बहुत बड़ा है, और यह विनिर्माण प्रक्रिया द्वारा छोड़े गए रासायनिक अवशेषों, परतों के बीच फंसे बुलबुलों और वेफर के एक स्थान से दूसरे स्थान पर सामग्री में होने वाले बदलावों जैसी समस्याओं से भरा है।

हम कहाँ खड़े हैं, इसे समझने के लिए, लेखकों ने वर्तमान अनुसंधान को चार विशिष्ट श्रेणियों में वर्गीकृत किया है। पहला, पूरी तरह से प्रदर्शित क्यूबिट्स (fully demonstrated qubits) हैं, जहाँ वैज्ञानिकों ने सफलतापूर्वक क्वांटम अवस्था को तैयार किया है, उसे नियंत्रित किया है और परिणाम पढ़ा है। दूसरा, प्रदर्शित घटक (demonstrated components) हैं, जो सर्किट के वे भाग हैं जो इच्छित रूप से कार्य करते हैं लेकिन अभी तक एक पूर्ण क्यूबिट में संयोजित नहीं हुए हैं। तीसरा, भौतिक घटनाएं (physical phenomena) हैं, जहाँ अंतर्निहित विज्ञान सिद्ध है लेकिन इसका लाभ उठाने के लिए कोई उपकरण नहीं बनाया गया है। अंत में, प्रस्तावित अवधारणाएं (proposed concepts) हैं, जो कागज पर विचार हैं जिनका अभी तक परीक्षण नहीं किया गया है। यह वर्गीकरण प्रकट करता है कि हालांकि हमारे पास इन सामग्रियों से बने कुछ कामकाजी क्यूबिट्स हैं, लेकिन कई सबसे रोमांचक विचार अभी भी "प्रस्तावित" या "घटक" चरणों में हैं। उदाहरण के लिए, वैज्ञानिकों ने द्वि-आयामी सामग्री से बना एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट बनाया है जिसमें एक कैपेसिटर है जो एक महत्वपूर्ण समय के लिए क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकता है, लेकिन उन्होंने अभी तक यह नहीं दिखाया है कि इसे पूरे फैक्ट्री वेफर में लगातार कैसे किया जा सकता है।

सबसे आशाजनक क्षेत्रों में से एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट के लिए बेहतर इंटरफेस बनाने के लिए इन परमाणु रूप से पतली शीटों का उपयोग करना शामिल है। पारंपरिक सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स में, दो धातु परतों के बीच का अवरोध अक्सर एक खुरदरा, अव्यवस्थित ऑक्साइड होता है जो क्वांटम सूचना को क्षय करता है। इस अवरोध को एक पूरी तरह से सपाट, द्वि-आयामी क्रिस्टल से बदलकर, शोधकर्ताओं ने ऐसे जंक्शन बनाए हैं जो बहुत अधिक स्वच्छ हैं। उन्होंने दिखाया है कि ये नए जंक्शन बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का परिवहन कर सकते हैं और इन्हें इलेक्ट्रिकल गेट्स द्वारा ट्यून किया जा सकता है, जो नियंत्रण का एक ऐसा स्तर प्रदान करता है जिसे पहले प्राप्त करना कठिन था। हालाँकि, पेपर इस बात पर जोर देता है कि जबकि ये व्यक्तिगत उपकरण काम करते हैं, सांख्यिकीय प्रमाण गायब है। हमें अभी तक यह नहीं पता है कि क्या एक बड़े शीट पर प्रत्येक जंक्शन एक ही तरह से प्रदर्शन करेगा, या क्या उन्हें बनाने की प्रक्रिया में छिपी हुई खामियां आती हैं जो केवल तब दिखाई देती हैं जब हजारों को जोड़ा जाता है।

एक अन्य प्रमुख मार्ग एकल इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने और नियंत्रित करने के लिए द्वि-आयामी सामग्रियों का उपयोग करना है, जो स्पिन क्यूबिट के रूप में कार्य करते हैं। इन उपकरणों में, इलेक्ट्रॉन का स्पिन, जो एक गुण है जो एक छोटे चुंबक के समान है, सूचना को धारण करता है। शोधकर्ता बताते हैं कि बाइलेयर ग्राफीन (bilayer graphene) जैसी सामग्रियां इन इलेक्ट्रॉनों को इतनी प्रभावी ढंग से सीमित कर सकती हैं कि उनका स्पिन बहुत लंबे समय तक बना रह सकता है। विशेष रूप से, बाइलेयर ग्राफीन में एक सिंगल-होल डिवाइस ने अत्यंत निम्न तापमान पर 38 सेकंड का स्पिन-वैली रिलैक्सेशन टाइम प्रदर्शित किया। यह एक उल्लेखनीय उपलब्धि है, जो यह सुझाव देती है कि सामग्री स्वयं बहुत शांत है और इलेक्ट्रॉन को परेशान नहीं करती है। फिर भी, चुनौती इस एकल सफलता को एक बड़े चिप पर दोहराने की है। वर्तमान प्रयोग सामग्री के छोटे, सावधानीपूर्वक चुने गए टुकड़ों पर निर्भर करते हैं, और यह स्पष्ट नहीं है कि क्या वही प्रदर्शन तब प्राप्त किया जा सकता है जब सामग्री को बड़े पैमाने पर उगाया जाए और मशीनों द्वारा संसाधित किया जाए, न कि हाथ से।

द्वि-आयामी सामग्रियों के साथ क्वैंटम बिट्स बनाने का एक अनूठा अवसर भी है जिन्हें प्रकाश द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड नामक क्रिस्टल में कुछ दोष, या गायब परमाणु, एक क्वांटम बिट के रूप में कार्य कर सकते हैं जिन्हें लेजर का उपयोग करके, कमरे के तापमान पर भी पढ़ा और लिखा जा सकता है। यह एक दुर्लभ और मूल्यवान गुण है, क्योंकि अधिकांश क्वांटम प्रणालियों को कार्य करने के लिए परम शून्य (absolute zero) के करीब रखना पड़ता है। शोधकर्ताओं ने इस तरह से नियंत्रित किए जा सकने वाले विशिष्ट दोषों की पहचान की है, लेकिन यह कार्य अभी शुरुआती चरणों में है। लक्ष्य इन दोषों को ठीक वहीं बनाने का तरीका खोजना है जहाँ उनकी आवश्यकता है, बड़ी संख्या में, और यह सुनिश्चित करना है कि वे सभी एक ही तरह से व्यवहार करें। वर्तमान में, इन दोषों को सटीकता के साथ रखने की क्षमता और उपयोगी दोषों की उच्च प्राप्ति (yield) प्राप्त करना मुख्य बाधा है।

आगे का रास्ता एकल, पूर्ण उपकरणों को देखने के बजाय कई उपकरणों के सांख्यिकी को देखने की ओर बढ़ने की मांग करता है। पेपर का तर्क है कि अगला महत्वपूर्ण कदम यह मापना है कि ये सामग्रियां पूरे फैक्ट्री वेफर में कैसा प्रदर्शन करती हैं। इसका अर्थ है कि केवल यह जांचना नहीं कि क्या एक क्यूबिट काम करता है, बल्कि यह देखना कि क्या सौ क्यूबिट काम करते हैं, और क्या वे सभी एक ही तरह से काम करते हैं। इसमें उपकरण को नष्ट किए बिना सामग्री और विनिर्माण प्रक्रिया की गुणवत्ता को मापने के नए तरीके विकसित करना शामिल है। शोधकर्ता परीक्षण के एक चक्र का प्रस्ताव करते हैं जहाँ फैक्ट्री फ्लोर के डेटा को सीधे क्वांटम डिवाइस के प्रदर्शन से जोड़ा जाता है। यदि विनिर्माण प्रक्रिया का कोई विशिष्ट चरण प्रदर्शन में गिरावट का कारण बनता है, तो उस चरण की पहचान की जानी चाहिए और उसे ठीक किया जाना चाहिए। इस प्रकार का कठोर, डेटा-संचालित दृष्टिकोण ही एक वैज्ञानिक जिज्ञासा को उस तकनीक से अलग करता है जिसे बड़े पैमाने पर बनाया जा सकता है।

लेखक तीन विशिष्ट अवधारणाओं की ओर भी देखते हैं जो केवल इन द्वि-आयामी सामग्रियों के साथ ही साकार की जा सकती हैं। पहला इसमें क्रिस्टल की परतों के बीच के अंतराल में दुर्लभ-तत्व आयनों (rare-earth ions) को डालना शामिल है ताकि नए प्रकार के क्यूबिट बनाए जा सकें। दूसरा विचार परतों के अद्वितीय घुमाव (twisting) का उपयोग करके एक विशेष प्रकार का इलेक्ट्रिकल जंक्शन बनाना है जो बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता के बिना एक क्यूबिट के रूप में कार्य कर सकता है। तीसरा अवधारणा दो परतों की सामग्री को घुमाकर बनाए गए पैटर्न का उपयोग करके एक बहु-स्तरीय क्वांटम प्रणाली बनाना है, जो संभावित रूप से एक मानक क्यूबिट की तुलना में अधिक जानकारी संग्रहीत कर सकती है। जबकि ये विचार सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ हैं और कुछ प्रयोगात्मक साक्ष्यों द्वारा समर्थित हैं, वे अभी भी अप्रमाणित हैं। पेपर स्पष्ट है कि ये तैयार उत्पाद नहीं हैं बल्कि भविष्य के अनुसंधान की दिशाएँ हैं जिन्हें वर्तमान तकनीकों की तरह ही कठोरता के साथ परीक्षण करने की आवश्यकता है।

अंततः, इन सामग्रियों का मूल्य मौजूदा सिलिकॉन-आधारित तकनीक को बदलने में नहीं, बल्कि विशिष्ट कार्य जोड़ने में है जो पारंपरिक तरीकों के साथ कठिन या असंभव हैं। वे उस शोर को कम करने का एक तरीका प्रदान करते हैं जो क्वांटम सूचना को समाप्त कर देता है, नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को सीधे क्यूबिट के बगल में एकीकृत करने का एक तरीका, और एक तरीका प्रदान करते हैं जिससे इंटरफेस अधिक स्वच्छ और अधिक नियंत्रणीय हो सके। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि क्षमता वास्तविक है, लेकिन यह सशर्त है। लाभ तभी प्राप्त होंगे यदि विनिर्माण प्रक्रियाओं को सुधारा जा सके ताकि निरंतर, उच्च-गुणवत्ता वाले उपकरण बनाए जा सकें। तब तक, ध्यान यह सिद्ध करने पर केंद्रित रहना चाहिए कि ये सामग्रियां विश्वसनीय रूप से काम कर सकती हैं, न कि केवल एक एकल प्रयोग में, बल्कि एक क्वांटम प्रोसेसर के विशाल, जटिल वातावरण में। द्वि-आयामी क्वांटम हार्डवेयर की कहानी अभी लिखी जा रही है, और अगला अध्याय कुछ सफल लैब प्रदर्शनों को एक विश्वसनीय, स्केलेबल उद्योग में बदलने की क्षमता पर निर्भर करता है।