A thermal microwave bus for neutral atom quantum computing

एक ऐसा कंप्यूटर बनाना जो आज की किसी भी मशीन की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सके, एक सूक्ष्म संतुलन बनाने जैसा है। वैज्ञानिक वर्तमान में इन क्वांटम मशीनों को बनाने के कई तरीकों की खोज कर रहे हैं, जिनमें से एक सबसे आशाजनक दृष्टिकोण व्यक्तिगत परमाणुओं का उपयोग करना है जिन्हें प्रकाश की किरणों द्वारा एक स्थान पर स्थिर रखा जाता है, ठीक वैसे ही जैसे अदृश्य धागे पर छोटे मोतियों को रखा जाता है। ये परमाणु सूचना की बुनियादी इकाइयों, या 'क्यूबिट्स' (qubits) के रूप में कार्य करते हैं। कंप्यूटर को काम करने के लिए, इन क्यूबिट्स को जटिल गणनाएं करने के लिए एक-दूसरे से बात करने में सक्षम होना चाहिए। हालांकि, परमाणु आमतौर पर एक सपाट ग्रिड में व्यवस्थित होते हैं, और संचार करने की उनकी विधि स्वाभाविक रूप से बहुत कम दूरी वाली होती है, जैसे कि एक फुसफुसाहट जो केवल कुछ इंच तक ही यात्रा कर सकती है। दूर स्थित परमाणुओं को जोड़ने के लिए, शोधकर्ताओं को पारंपरिक रूप से ग्रिड में परमाणुओं को भौतिक रूप से इधर-उधर ले जाना पड़ता था, जो एक धीमी प्रक्रिया है और इस बात को सीमित करती है कि कंप्यूटर कितनी तेज़ी से समस्याओं को हल कर सकता है। चुनौती, फिर, परमाणुओं को बिना हिलाए तुरंत दूर के परमाणुओं को जोड़ने का एक तरीका खोजने की है, जो इन नाजुक मशीनों को विश्वसनीय रूप से चलाने के लिए आवश्यक त्रुटि-सुधार (error-correction) प्रणालियों के लिए एक अनिवार्य क्षमता है।

एक नए अध्ययन में, यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं ने एक समाधान प्रस्तावित किया है जो परमाणुओं की धीमी भौतिक गति को माइक्रोवेव का उपयोग करके एक तेज़, अदृश्य कनेक्शन से बदल देता है। वे एक ऐसा डिज़ाइन सुझाते हैं जहाँ परमाणु एक विशेष धातु के डिब्बे, एक त्रि-आयामी गुहा (cavity) के भीतर स्थित होते हैं, जो एक साझा संचार चैनल के रूप में कार्य करता है। परमाणुओं को भौतिक रूप से एक-दूसरे के करीब आने या छूने की आवश्यकता के बजाय, शोधकर्ता दिखाते हैं कि कैसे परमाणु इस डिब्बे के भीतर परावर्तित होने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से परस्पर क्रिया कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण दूर के परमाणुओं को जटिल गणनाएं लगभग तुरंत करने की अनुमति देता है, जिससे पारंपरिक 'चलते-फिरते परमाणु' वाले तरीके की बाधाएं दूर हो जाती हैं। टीम ने इस प्रणाली का सिमुलेशन किया ताकि यह देखा जा सके कि यह वास्तविक दुनिया के वातावरण में कितनी अच्छी तरह काम करेगी, जिसमें गर्मी और किसी भी भौतिक उपकरण में मौजूद खामियों को भी ध्यान में रखा गया। उनके परिणाम संकेत देते हैं कि यह माइक्रोवेव-आधारित कनेक्शन अत्यधिक उच्च सटीकता प्राप्त कर सकता है, जो इन नाजुक मशीनों को सुचारू रूप से चलाने के लिए आवश्यक त्रुटि-सुधार के सबसे महत्वपूर्ण चरणों की गति को लगभग पांच गुना तक बढ़ा सकता है।

मुख्य समस्या यह है कि ये क्वांटम कंप्यूटर अपनी गलतियों को कैसे संभालते हैं। चूंकि क्वांटम अवस्थाएं बहुत नाजुक होती हैं, इसलिए वे मामूली गड़बड़ी से भी त्रुटियों के प्रति संवेदनशील होती हैं। इन त्रुटियों को ठीक करने के लिए, कंप्यूटर को लगातार अपने काम की जांच करनी पड़ती है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए क्यूबिट्स को अपने पड़ोसियों के साथ अंतःक्रिया करने की आवश्यकता होती है। तटस्थ परमाणुओं (neutral atoms) का उपयोग करने वाले मानक सेटअप में, यह जांच करने के लिए एक परमाणु को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाया जाता है ताकि वह अपने पड़ोसी से मिल सके, जांच पूरी कर सके, और फिर वापस आ सके। हालांकि यह पास के पड़ोसियों के लिए काम करता है, लेकिन जब कंप्यूटर को पूरे ग्रिड में कनेक्शनों की जांच करने की आवश्यकता होती है, जैसे कि लूप के किनारों पर जहाँ ग्रिड खुद को लपेटता है, तो यह एक बड़ी बाधा बन जाता है। एक बड़े ग्रिड में परमाणुओं को ले जाने में लगने वाला समय ग्रिड के आकार के साथ बढ़ता जाता है, जो अंततः पूरे सिस्टम को धीमा कर देता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे एक ऐसा कनेक्शन बना सकें जो बिना कुछ हिलाए पूरे ग्रिड में फैला हो, तो वे इन जांचों के लिए आवश्यक समय को काफी कम कर सकते हैं।

इसे प्राप्त करने के लिए, टीम ने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की जहाँ परमाणुओं को एक माइक्रोवेव गुहा (cavity) से जोड़ा जाता है। इस सेटअप में, परमाणुओं को ऑप्टिकल ट्वीज़र्स द्वारा एक स्थान पर रखा जाता है, जो प्रकाश की केंद्रित किरणें हैं, और ये एक सुपरकंडक्टिंग धातु से बनी गुहा के भीतर होती हैं। यह गुहा एक विशिष्ट माइक्रोवेव आवृत्ति के लिए ट्यून की गई है जो परमाणु की दो विशिष्ट उत्तेजित अवस्थाओं (excited states) के बीच ऊर्जा अंतर से मेल खाती है, जिन्हें रिडबर्ग अवस्थाएं (Rydberg states) कहा जाता है। जब परमाणु इन अवस्थाओं में होते हैं, तो वे बॉक्स के भीतर माइक्रोवेव क्षेत्र के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक चार-स्तरीय आर्किटेक्चर का प्रस्ताव दिया जहाँ सूचना परमाणु की स्थिर 'ग्राउंड स्टेट' में संग्रहीत होती है, लेकिन गणना के लिए, परमाणु को इन उत्तेजित अवस्थाओं के माध्यम से माइक्रोवेव क्षेत्र से जोड़ा जाता है। यह माइक्रोवेव क्षेत्र को एक 'बस' (bus) के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है, जो ऐरे के किन्हीं भी दो परमाणुओं के बीच सूचना ले जा सकता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों।

टीम ने पहले इस माइक्रोवेव कनेक्शन का उपयोग करने के दो मौजूदा तरीकों का परीक्षण किया। एक विधि में दो परमाणुओं की अवस्थाओं को बदलना शामिल है, जबकि दूसरी विधि एक विशिष्ट 'फेज शिफ्ट' (phase shift) बनाने के लिए एक 'ड्राइव' का उपयोग करती है। उन्होंने इन विधियों का सिमुलेशन वास्तविक स्थितियों के तहत किया, जिसमें थर्मल फोटॉन (ऊष्मा के कारण गुहा में मौजूद ऊर्जा के छोटे पैकेट) और परमाणु अवस्थाओं का प्राकृतिक क्षय (decay) शामिल था। उन्होंने पाया कि हालांकि ये विधियाँ काम करती हैं, लेकिन जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है या परमाणु ऊर्जा खोते हैं, उनकी सटीकता काफी कम हो जाती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि एक उपयोगी कंप्यूटर के लिए आवश्यक उच्च शुद्धता (fidelity) तक पहुँचने के लिए, सिस्टम को अत्यंत ठंडा रखने की आवश्यकता होगी, और तब भी, त्रुटि दर वांछित से अधिक थी।

इन सीमाओं को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'बाइक्रोमैटिक रमन गेट' (bichromatic Raman gate) नामक एक नई तकनीक पेश की। यह विधि दो अलग-अलग लेजर बीमों का उपयोग करती है जो परमाणुओं के साथ अंतःक्रिया करती हैं, जिससे एक ऐसा कनेक्शन बनता है जो गर्मी और क्षय के प्रति बहुत अधिक मजबूत है। पिछली विधियों के विपरीत, यह गेट परमाणुओं को लंबे समय तक उत्तेजित रिडबर्ग अवस्था में रहने की आवश्यकता नहीं देता है; इसके बजाय, यह उस अवस्था का केवल आभासी (virtually) रूप से उपयोग करता है, जिसका अर्थ है कि परमाणु वहां लगभग कोई समय नहीं बिताता है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है क्योंकि उत्तेजित अवस्थाएं अल्पकालिक होती हैं और त्रुटियों के प्रति संवेदनशील होती हैं। इन अवस्थाओं में लंबे समय तक न रहकर, गेट परमाणु के क्षय होने और सूचना खोने की संभावना को कम करता है। इसके अलावा, दो लेजर बीमों का डिज़ाइन ऐसा है कि वे माइक्रोवेव क्षेत्र के कारण होने वाले अवांछित बदलावों को रद्द कर देते हैं, जिससे यह गेट उस थर्मल शोर के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी बन जाता है जिसने पिछली विधियों को प्रभावित किया था।

इस नए बाइक्रोमैटिक गेट के लिए सिमुलेशन बेहद सफल रहे। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह 0.997 की फिडेलिटी (fidelity) प्राप्त कर सकता है, जिसका अर्थ है कि यह 99.7% बार सही ऑपरेशन करता है। सटीकता का यह स्तर फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक सीमा के भीतर है। यह गेट माइक्रोवेव क्षेत्र पर एक बल पैदा करके काम करता है जो परमाणुओं की अवस्था पर निर्भर करता है। जैसे-जैसे परमाणु क्षेत्र के साथ अंतःक्रिया करते हैं, वे क्षेत्र के 'फेज स्पेस' (phase space) में एक पथ बनाते हैं, और जब यह पथ एक लूप में बंद होता है, तो यह परमाणुओं पर एक विशिष्ट 'फेज इम्प्रीट' (phase imprint) छोड़ता है जो गणना का प्रतिनिधित्व करता है। चूंकि गेट को सममित (symmetric) बनाया गया है, इसलिए यह स्वाभाविक रूप से उन कई त्रुटियों को रद्द कर देता है जो अन्यथा जमा हो सकती थीं। टीम ने यह भी दिखाया कि इस विधि का उपयोग उच्च सटीकता के साथ जटिल बहु-परमाणु अवस्थाओं, जैसे कि ग्रीनबर्गर-हॉर्न-ज़िलिंगर (Greenberger-Horne-Zeilinger) अवस्थाओं को बनाने के लिए किया जा सकता है, जो कई क्वांटम एल्गोरिदम के लिए आवश्यक हैं, भले ही परमाणुओं की संख्या बढ़ रही हो।

इस खोज की असली शक्ति तब स्पष्ट होती है जब हम देखते हैं कि यह त्रुटि-सुधार की गति को कैसे प्रभावित करती है। शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों को 'टोरिक कोड' (toric code) नामक एक विशिष्ट प्रकार के त्रुटि-सुधार कोड पर लागू किया, जो एक ग्रिड पर आवधिक सीमाओं (periodic boundaries) के साथ व्यवस्थित है, जो प्रभावी रूप से ग्रिड के किनारों को एक टॉरस (torus) बनाने के लिए लपेटता है। इस कोड में, कुछ आवश्यक जांच ग्रिड के विपरीत किनारों पर परमाणुओं के बीच की जानी चाहिए। पारंपरिक चलते-फिरते परमाणु वाले दृष्टिकोण में, इन लूपों को बंद करने के लिए पूरे ग्रिड में परमाणुओं को भौतिक रूप से ले जाना आवश्यक होता है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें ग्रिड के आकार के वर्गमूल के अनुपात में समय लगता है। इसके विपरीत, माइक्रोवेव कैविटी गेट इन दूरस्थ परमाणुओं को तुरंत जोड़ सकता है, जिसमें आवश्यक गेटों की संख्या के रैखिक (linear) अनुपात में समय लगता है।

एक वास्तविक ऐरे आकार के लिए, सिमुलेशन ने दिखाया कि टोरिक कोड की आवधिक सीमाओं को बंद करने के लिए माइक्रोवेव गेट का उपयोग करने से एक पूर्ण त्रुटि-सुधार चक्र का समय 2.3 के कारक से कम हो गया। इसका अर्थ है कि कंप्यूटर पारंपरिक तरीके की तुलना में दोगुनी से अधिक तेज़ी से त्रुटियों की जाँच और उन्हें ठीक कर सकता है। शोधकर्ताओं ने इस विश्लेषण को 'बाइवैरिएट बाइसिकल कोड' (bivariate bicycle codes) नामक कोड के एक व्यापक परिवार तक बढ़ाया, जो अधिक कुशल होने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं लेकिन उन्हें और भी जटिल लंबी दूरी के कनेक्शनों की आवश्यकता होती है। इन कोडों के लिए, गति में वृद्धि और भी नाटकीय थी, जिससे एक पूर्ण त्रुटि-सुधार चक्र के समय में 4.8 के कारक से कमी आई। यह सुझाव देता है कि माइक्रोवेव बस सबसे उन्नत क्वांटम त्रुटि-सुधार योजनाओं के लिए गेम-चेंजर हो सकती है, जिससे वे पहले की तुलना में बहुत अधिक तेज़ी से और कुशलता से चल सकती हैं।

अध्ययन ने 'पैरेललिज्म' (parallelism), या एक ही समय में कई गेट करने की क्षमता के मुद्दे को भी संबोधित किया। जबकि माइक्रोवेव कैविटी एक एकल साझा संसाधन है, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि लेजर ड्राइव की आवृत्तियों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, परमाणुओं के विभिन्न जोड़ों पर एक-दूसरे में हस्तक्षेप किए बिना समानांतर में गेट संचालित करना संभव है। यह क्षमता कंप्यूटर को बड़े कार्यों को संभालने के लिए स्केल करने हेतु अत्यंत महत्वपूर्ण है। हालांकि इन समानांतर गेटों की फिडेलिटी एकल गेटों की तुलना में थोड़ी कम थी, फिर भी यह उपयोगी होने के लिए पर्याप्त उच्च बनी रही। टीम ने उल्लेख किया कि भविष्य के डिज़ाइन अतिरिक्त परमाणु अवस्थाओं या कई कैविटी मोड का उपयोग करके इसे और बेहतर बना सकते हैं, लेकिन वर्तमान सिंगल-मोड सेटअप के साथ भी, गति बढ़ाने की क्षमता महत्वपूर्ण है।

अंततः, यह कार्य तटस्थ-परमाणु (neutral-atom) क्वांटम कंप्यूटरों के लिए एक ठोस मार्ग प्रदान करता है। परमाणुओं को हिलाने की धीमी, यांत्रिक प्रक्रिया को एक तेज़, माइक्रोवेव-मध्यस्थ कनेक्शन से बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि बड़े पैमाने पर क्वांटम त्रुटि-सुधार के लिए आवश्यक उच्च-गति, उच्च-फिडेलिटी अंतःक्रिया प्राप्त करना संभव है। सिमुलेशन दर्शाते हैं कि यह दृष्टिकोण न केवल सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ है, बल्कि वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में अपरिहार्य थर्मल शोर और खामियों के प्रति भी मजबूत है। हालांकि यह शोध भौतिक प्रयोगों के बजाय सिमुलेशन पर आधारित है, उपयोग किए गए पैरामीटर वर्तमान तकनीक, जैसे कि सुपरकंडक्टिंग कैविटी की गुणवत्ता और रिडबर्ग परमाणुओं के जीवनकाल के यथार्थवादी मूल्यों पर आधारित हैं। परिणाम बताते हैं कि माइक्रोवेव बस के साथ एक क्वांटम कंप्यूटर बनाना उस कनेक्टिविटी बाधा को हल कर सकता है जिसने लंबे समय से इन मशीनों के विकास को बाधित किया है, जिससे एक दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटर का सपना वास्तविकता के बहुत करीब पहुँच गया है।