Ancilla-assisted dark-state quantum gates in ultracold polar molecules

एक सार्वभौमिक क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक सूक्ष्म कणों को एक साथ इतनी मजबूती से जोड़ने का तरीका खोज रहे हैं कि वे एक ही अस्तित्व साझा करें, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) के रूप में जाना जाता है। यह जुड़ाव क्वांटम मशीनों की अपार शक्ति को चलाने वाला इंजन है, लेकिन यह अत्यंत नाजुक है। काम करने के लिए, इन प्रणालियों को लगभग पूर्ण सटीकता के साथ संचालन करना चाहिए, फिर भी कणों को जोड़ने की कोशिश करने की क्रिया अक्सर ऐसी त्रुटियां पैदा करती है जो गणना को खराब कर देती हैं। हालांकि शोधकर्ताओं ने ट्रैप्ड आयन और सुपरकंडक्टिंग सर्किट के साथ प्रगति की है, लेकिन इन प्रणालियों को उपयोगी कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक हजारों कणों तक स्केल करना एक कठिन तकनीकी चढ़ाई बनी हुई है। एक अन्य आशाजनक मार्ग केंद्रित प्रकाश की किरणों द्वारा स्थिर किए गए न्यूट्रल परमाणुओं का उपयोग करना है, लेकिन उन्हें जोड़ने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि उन्हें अल्पकालिक, अस्थिर अवस्थाओं में उत्तेजित करने पर निर्भर करती है, जो इस बात को सीमित करती है कि जुड़ाव कितने समय तक रह सकता है और इसे कितनी सटीकता से किया जा सकता है।

हैनान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ऑप्टिकल ट्वीज़र्स में फंसे अति-शीत ध्रुवीय अणुओं (ultracold polar molecules) का उपयोग करके एक अलग दृष्टिकोण प्रस्तावित किया है। ये अणु स्वाभाविक रूप से विद्युत द्विध्रुव (electric dipoles) हैं, जिसका अर्थ है कि उनका एक धनात्मक सिरा और एक ऋणात्मक सिरा होता है, जिससे वे बिना किसी अस्थिर अवस्था में उत्तेजित हुए लंबी दूरी तक एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक तीसरे, सहायक अणु (helper molecule) के शामिल एक चतुर तरीके का उपयोग करके इन अणुओं के बीच उच्च-सटीकता वाले एंटैंगलिंग गेट बनाने की एक विधि डिजाइन की है। अणुओं को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके और माइक्रोवेव पल्स का उपयोग करके, वे इस प्रणाली को एक विशिष्ट पथ के माध्यम से निर्देशित कर सकते हैं जहाँ अवांछित अंतःक्रियाएं रद्द हो जाती हैं, जिससे केवल वांछित कनेक्शन ही शेष रह जाता है। यह नया प्रोटोकॉल एक ऐसा तरीका सुझाता है जिससे स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटर बनाए जा सकते हैं जो त्रुटियों के प्रति मजबूत हैं और एक साथ कई कणों को जोड़ने में सक्षम हैं।

इस नए प्रस्ताव का मुख्य आधार तीन ध्रुवीय अणुओं का सेटअप है: दो जो सूचना को संसाधित करने के लिए रखते हैं, जिन्हें कंट्रोल (control) और टारगेट (target) कहा जाता है, और एक तीसरा सहायक अणु जिसे एंसिला (ancilla) के रूप में जाना जाता है। शोधकर्ता कल्पना करते हैं कि इन अणुओं को केंद्रित लेजर बीमों द्वारा स्थिर किया गया है, जो एक विशिष्ट ज्यामितीय पैटर्न में व्यवस्थित हैं। लक्ष्य एक लॉजिक गेट (logic gate) निष्पादित करना है, जो एक मौलिक ऑपरेशन है जहाँ एक अणु की स्थिति दूसरे को प्रभावित करती है। इस योजना में, सूचना ले जाने वाले दो अणुओं को इस तरह रखा जाता है कि वे सीधे एक-दूसरे के साथ अंतःक्रिया न करें, जबकि सहायक अणु को जुड़ाव को सुगम बनाने के लिए पास में रखा जाता है। पूरी प्रणाली एक माइक्रोवेव क्षेत्र में डूबी होती है, जो ऑपरेशन के चालक (driver) के रूप में कार्य करता है।

इस पद्धति का जादू 'डार्क स्टेट' (dark state) नामक अवधारणा में निहित है। क्वांटम यांत्रिकी में, डार्क स्टेट कणों की एक विशिष्ट विन्यास है जो प्रेरक बल के प्रति अदृश्य होती है, जिसका अर्थ है कि सिस्टम इस अवस्था में रह सकता है बिना ऊर्जा अवशोषित किए या अप्रत्याशित रूप से बदले बिना। शोधकर्ताओं ने पाया कि अणुओं के सही आंतरिक ऊर्जा स्तरों को चुनकर, वे एक ऐसी स्थिति बना सकते हैं जहाँ सिस्टम स्वाभाविक रूप से इस डार्क स्टेट में विकसित होता है। जब माइक्रोवेव क्षेत्र लागू किया जाता है, तो सहायक अणु और कंट्रोल अणु इस तरह से अंतःक्रिया करते हैं कि एक अस्थायी, स्थिर लिंक बनता है। चूंकि सिस्टम को इस डार्क स्टेट के माध्यम से निर्देशित किया जाता है, यह उन त्रुटियों से बच जाता है जो आमतौर पर क्वांटम ऑपरेशन्स को बाधित करती हैं, जैसे कि उत्तेजित अवस्थाओं के छोटे जीवनकाल के कारण सूचना की हानि।

इसे काम करने के योग्य बनाने के लिए, टीम ने सोडियम सीज़ियम जैसे एक विशिष्ट प्रकार के अणु का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया, जिसके अनूकहे गुण इसे इस कार्य के लिए आदर्श बनाते हैं। उन्होंने अणु के भीतर विशिष्ट ऊर्जा स्तरों को चुना जो स्थिर हैं और चुंबकीय प्रभावों के कारण अन्य अवस्थाओं के साथ मिश्रित नहीं होते हैं। माइक्रोवेव पल्स को सहायक अणु के साथ अनुनाद (resonate) करने के लिए ट्यून किया गया है, न कि सूचना ले जाने वाले अणुओं के साथ। जब पल्स लागू किया जाता है, तो सिस्टम सुचारू रूप से अपने शुरुआती बिंदु से डार्क स्टेट तक और फिर वापस आता है। यदि प्रक्रिया पर्याप्त धीरे की जाती है, तो सिस्टम इस पथ का पूरी तरह से पालन करता है, और केवल तभी एक विशिष्ट फेज शिफ्ट (phase shift) संचित करता है जब दोनों सूचना अणु एक विशेष अवस्था में होते हैं। यह फेज शिफ्ट ही क्वांटम गेट का सार है, जो शेष प्रणाली को बाधित किए बिना प्रभावी रूप से एक गणना करता है।

शोधकर्ताओं ने अपने विचार का परीक्षण विस्तृत सिमुलेशन के माध्यम से किया ताकि यह देखा जा सके कि यह वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में कितनी अच्छी तरह टिक पाएगा। किसी भी क्वांटम प्रणाली के लिए एक प्रमुख चिंता कणों की गति है; भले ही उन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा किया गया हो, अणु अपने ट्रैप के भीतर कंपन करते रहते हैं। टीम ने पाया कि उनकी डार्क-स्टेट तंत्र गति के प्रति उल्लेखनीय रूप से मजबूत है। यहाँ तक कि जब अणुओं को कई इकाइयों वाली कंपन ऊर्जा के साथ सिम्युलेट किया गया, तब भी गेट ने 0.99986 की फिडेलिटी (fidelity) बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि त्रुटि दर अविश्वसनीय रूप से कम थी। यह सुझाव देता है कि इस पद्धति के लिए अणुओं का पूरी तरह से स्थिर होना आवश्यक नहीं है, जो व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है।

त्रुटि का एक अन्य संभावित स्रोत स्वयं माइक्रोवेव क्षेत्र की अपूर्णता है। एक वास्तविक प्रयोग में, माइक्रोवेव सिग्नल पूरी तरह से ध्रुवीकृत (polarized) नहीं हो सकता है, जिसका अर्थ है कि इसमें गलत प्रकार की तरंग का एक छोटा हिस्सा हो सकता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब तक ध्रुवीकरण में अशुद्धि एक प्रतिशत से कम रखी जाती है, गेट अत्यधिक सटीक रहता है। वास्तव में, आधुनिक प्रयोगशालाओं में उपलब्ध उच्च-गुणवत्ता वाले माइक्रोवेव स्रोतों के साथ, ध्रुवीकरण के कारण त्रुटि दर और भी कम हो सकती है, जो संभावित रूप से उन स्तरों तक पहुँच सकती है जहाँ गेट जटिल क्वांटम गणनाओं के लिए पर्याप्त सटीक है।

इस दृष्टिकोण की सुंदरता यह है कि यह केवल दो अणुओं तक सीमित नहीं है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि समान डार्क-स्टेट सिद्धांत को एक साथ कई अणुओं को जोड़ने के लिए विस्तारित किया जा सकता है। सूचना ले जाने वाले अणुओं की एक पंक्ति को व्यवस्थित करके और एक एकल सहायक अणु का उपयोग करके जो उन सभी के साथ अंतःक्रिया करता है, उन्होंने दिखाया कि एक मल्टी-क्यूबिट गेट को साकार किया जा सकता है। इस कॉन्फ़िगरेशन में, सहायक अणु प्रत्येक डेटा अणु के साथ व्यक्तिगत रूप से अंतःक्रिया करता है, लेकिन डेटा अणुओं को इस तरह रखा जाता है कि वे आपस में अंतःक्रिया न करें। यह एक एकल माइक्रोवेव पल्स को एक ही बार में जटिल, बहु-कण एंटैंगलमेंट बनाने की अनुमति देता है। तीन-अणु गेट के सिमुलेशन ने समान उच्च फिडेलिटी दिखाई, जो यह संकेत देती है कि यह विधि प्रदर्शन में महत्वपूर्ण गिरावट के बिना दर्जनों या सैकड़ों अणुओं को जोड़ने तक स्केल हो सकती है।

यह कार्य क्वांटम कंप्यूटिंग के वर्तमान अग्रणी तरीकों के लिए एक सम्मोहक विकल्प प्रदान करता है। उन प्रणालियों के विपरीत जो अल्पकालिक उत्तेजित अवस्थाओं पर निर्भर करती हैं, यह दृष्टिकोण ध्रुवीय अणुओं की प्राकृतिक, स्थिर अंतःक्रियाओं का उपयोग करता है। एक सहायक अणु का उपयोग अंतःक्रिया को मध्यस्थ बनाने के लिए करने से सटीक नियंत्रण मिलता है और उस प्रत्यक्ष युग्मन (coupling) से बचा जा सकता है जो अक्सर त्रुटियों का कारण बनता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही अणुओं के चुनाव और माइक्रोवेव क्षेत्रों के सावधानीपूर्ण नियंत्रण के साथ, एक ऐसा क्वांटम कंप्यूटर बनाना संभव है जो स्केलेबल और अत्यधिक सटीक हो। हालांकि यह शोध पत्र इन परिणामों को सिमुलेशन और सैद्धांतिक प्रस्तावों के रूप में प्रस्तुत करता है, उच्च फिडेलिटी संख्या और गति तथा क्षेत्र की खामियों के प्रति मजबूती भविष्य के प्रयोगात्मक कार्य के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करती है। यदि प्रयोगशाला में इसे साकार किया जाता है, तो यह तकनीक उन बड़े पैमाने के क्वांटम प्रोसेसर की ओर एक नया रास्ता खोल सकती है जो उन समस्याओं को हल करने के लिए आवश्यक हैं जो वर्तमान में क्लासिकल कंप्यूटरों की पहुंच से बाहर हैं।