In-orbit operation of a programmable quantum photonic processor
यह शोध पत्र एक नैनोसैटेलाइट पर संचालित होने वाले एक प्रोग्रामेबल क्वांटम फोटोनिक प्रोसेसर के पहले सफल प्रदर्शन की रिपोर्ट करता है, जो अंतरिक्ष की कठोर परिस्थितियों पर विजय प्राप्त करते हुए टू-फोटॉन इंटरफेरेंस (two-photon interference) के माध्यम से गैर-शास्त्रीय प्रकाश (non-classical light) को उत्पन्न करने, हेरफेर करने और पता लगाने में सक्षम है, जिससे इन-ऑर्बिट क्वांटम-असिस्टेड कंप्यूटिंग की व्यवहार्यता स्थापित होती है।
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क्वांटम तकनीक कंप्यूटिंग शक्ति में एक बड़ी छलांग का वादा करती है, जो उप-परमाणु दुनिया को नियंत्रित करने वाले विचित्र नियमों का लाभ उठाकर शास्त्रीय मशीनों की सीमाओं से परे जाने का लक्ष्य रखती है। इस क्षमता के केंद्र में 'इंटरफेरेंस' (व्यतिकरण) नामक एक घटना है, जहाँ प्रकाश के कण, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं। जब दो समान फोटॉन मिलते हैं, तो वे एक-दूसरे को रद्द कर सकते हैं या एक-दूसरे को सुदृढ़ कर सकते हैं, जिससे जटिल पैटर्न बनते हैं। ये पैटर्न केवल दृश्य जिज्ञासाएँ नहीं हैं; वे एक विशाल, छिपे हुए कम्प्यूटेशनल स्थान का प्रतिनिधित्व करते हैं जिसे नेविगेट करने में शास्त्रीय कंप्यूटरों को संघर्ष करना पड़ता है। जबकि वैज्ञानिकों ने सुरक्षित संचार के लिए दुनिया भर में क्वांटम संकेतों को प्रसारित करने हेतु लंबे समय से उपग्रहों का उपयोग किया है, अंतरिक्ष में तैरते हुए वास्तव में गणना करने के लिए इन नाजुक प्रकाश कणों का उपयोग करना एक अनसुलझी चुनौती बनी हुई है। अंतरिक्ष का वातावरण ऐसे नाजुक काम के लिए कुख्यात रूप से प्रतिकूल है, जो विकिरण, तापमान के अत्यधिक उतार-चढ़ाव और रॉकेट लॉन्च के हिंसक झटकों से भरा है, जो उन सटीक स्थितियों को आसानी से नष्ट कर सकते हैं जो क्वांटम इंटरफेरेंस होने के लिए आवश्यक हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब सफलतापूर्वक यह प्रदर्शित किया है कि यह नाजुक क्वांटम प्रोसेसिंग वास्तव में कक्षा (ऑर्बिट) में जीवित रह सकती है और कार्य कर सकती है। उन्होंने अन्य उपग्रहों के साथ एक वाणिज्यिक रॉकेट पर सवार होकर लो अर्थ ऑर्बिट (निम्न पृथ्वी कक्षा) में एक विशेष पेलोड लॉन्च किया। इस कॉम्पैक्ट यूनिट के भीतर, जिसका आकार एक छोटे सूटकेस के बराबर था और वजन दस किलोग्राम से भी कम था, उन्होंने प्रकाश से बने एक पूर्ण क्वांटम कंप्यूटर को रखा था। इस सिस्टम में एक स्रोत शामिल था जो फोटॉन के जोड़े उत्पन्न करता था, एक प्रोग्राम करने योग्य चिप जो इन फोटॉनों को रूट और मैनिपुलेट (हेरफेर) कर सकती थी, और उन्हें गिनने के लिए संवेदनशील डिटेक्टर थे। स्वयं चिप एक 'यूनिवर्सल फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट' थी, एक सूक्ष्म संरचना वाली कांच की संरचना जिसमें सूक्ष्म मार्ग उकेरे गए थे जो प्रकाश के लिए एक भूलभुलैया के रूप में कार्य करते थे। इस चिप के विशिष्ट हिस्सों को गर्म करके, शोधकर्ता फोटॉन द्वारा लिए जाने वाले पथ को बदल सकते थे, जिससे वे बिना किसी भौतिक भाग को हिलाए मशीन को विभिन्न गणितीय संचालन करने के लिए प्रोग्राम कर सकते थे।
प्राथमिक लक्ष्य यह सिद्ध करना था कि अंतरिक्ष की कठोर परिस्थितियों के बावजूद फोटॉन पूरी तरह से समान, या अविभेद्य, रह सकते हैं। यदि फोटॉन अपने गुणों में थोड़े भी भिन्न होते हैं, तो क्वांटम इंटरफेरेंस समाप्त हो जाता है, और मशीन एक मानक, कम शक्तिशाली शास्त्रीय कंप्यूटर की तरह व्यवहार करने लगती है। इसकी जांच करने के लिए, टीम ने चिप को एक 'बैलेंस्ड स्प्लिटर' के रूप में कार्य करने के लिए प्रोग्राम किया, जो एक ऐसा उपकरण है जो दो आने वाले फोटॉन को मिलने के लिए मजबूर करता है। एक आदर्श क्वांटम परिदृश्य में, यदि फोटॉन समान हैं, तो वे हमेशा एक ही पथ से एक साथ बाहर निकलेंगे, कभी भी एक ही समय में दो अलग-अलग डिटेक्टरों तक नहीं पहुँचेंगे। यह विशिष्ट व्यवहार, जिसे 'होंग-ओ-यू-मैन्डल प्रभाव' (Hong-Ou-Mandel effect) कहा जाता है, इस बात का हस्ताक्षर प्रमाण है कि क्वांटम इंटरफेरेंस हो रहा है। शोधकर्ताओं ने अपने प्रकाश स्रोत के तापमान को एक विस्तृत श्रृंखला में स्कैन किया, उस सटीक क्षण की तलाश की जब फोटॉन अविभेद्य हो गए और एक साथ होने वाले डिटेक्शन की सह-घटना (coincidence) शून्य के करीब गिर गई।
परिणामों ने पुष्टि की कि क्वांटम प्रोसेसर ने इच्छित रूप से कार्य किया। सीधे सूर्य के प्रकाश के संपर्क में आने वाले अवधियों को फ़िल्टर करने के बाद, जिसने बहुत अधिक बैकग्राउंड शोर पैदा किया था, टीम ने एक साथ होने वाले डिटेक्शन की संख्या में एक स्पष्ट गिरावट देखी। यह गिरावट एक विशिष्ट तापमान पर दिखाई दी, जो पृथ्वी पर किए गए अनुमानों से मेल खाती थी, और इसने दिखाया कि फोटॉन उच्च स्तर की सटीकता के साथ हस्तक्षेप कर रहे थे। इस प्रभाव की दृश्यता इतनी मजबूत थी कि यह यादृच्छिक संयोग या शास्त्रीय व्यवहार को खारिज करने के लिए पर्याप्त थी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि मशीन सफलतापूर्वक गैर-शास्त्रीय प्रकाश उत्पन्न और हेरफेर कर रही थी। इसके अलावा, टीम ने विभिन्न जटिल रूटिंग ऑपरेशनों, जिन्हें 'यूनिटरीज़' (unitaries) कहा जाता है, करने की चिप की क्षमता का परीक्षण किया, और पाया कि मशीन ने मिशन के दौरान उच्च स्तर की सटीकता बनाए रखी, भले ही आसपास का तापमान उतार-चढ़ाव भरा था और विकिरण के कारण डिटेक्टर धीरे-धीरे खराब हो रहे थे।
यह उपलब्धि उपग्रहों का उपयोग केवल क्वांटम संकेतों को प्रतिबिंबित करने वाले दर्पणों के रूप में करने के बजाय, उन्हें सक्रिय प्रोसेसर के रूप में उपयोग करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण बदलाव है। प्रयोग ने दिखाया कि अंतरिक्ष के निर्वात में क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक नाजुक स्थितियों को स्थापित और बनाए रखा जा सकता है। हालांकि सिस्टम को चुनौतियों का सामना करना पड़ा, जैसे कि डिटेक्टर शोर में क्रमिक वृद्धि और आंतरिक संदूषण के कारण लेजर की शक्ति में धीमी गिरावट, टीम ने सिग्नल को पुनः प्राप्त करने के लिए अपने डिटेक्टरों के वोल्टेज को समायोजित करके खुद को अनुकूलित किया। इस प्रोग्राम करने योग्य प्लेटफॉर्म का सफल संचालन यह सुझाव देता है कि भविष्य में उपग्रह अंतरिक्ष में सीधे पृथ्वी अवलोकन डेटा के विशाल मात्रा को प्रोसेस कर सकते हैं, जिससे जमीन पर जानकारी भेजने से पहले पैटर्न की पहचान या सूचना का संपीड़न किया जा सके। यह अंतरिक्ष में क्वांटम कंप्यूटरों के एक वितरित नेटवर्क के द्वार खोलता है, जहाँ अंतरिक्ष में स्थित नोड्स मिलकर उन समस्याओं को हल करने के लिए काम करते हैं जो वर्तमान में हमारी पहुंच से बाहर हैं, जिससे अंतरिक्ष के कठोर वातावरण को अगली पीढ़ी की कंप्यूटिंग के लिए एक व्यवहार्य सीमा में बदला जा सके।
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