Universal Fidelity Law for Linear-Optical Entangling Gates
यह शोध पत्र रैखिक-प्रकाशीय एंटैंगलिंग गेट्स (linear-optical entangling gates) के लिए एक सार्वभौमिक निष्ठा नियम (universal fidelity law) व्युत्पन्न और प्रयोगात्मक रूप से मान्य करता है जो विशिष्ट सिग्नल-नॉइज़ ओवरलैप या भौतिक प्लेटफॉर्म की परवाह किए बिना, केवल होंग-ओ-मैन्डल विजिबिलिटी (Hong-Ou-Mandel visibility) और द्वितीय-क्रम सहसंबंध (second-order coherence) के आधार पर प्रदर्शन क्षरण की भविष्यवाणी करता है।
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क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक अक्सर प्रकाश की ओर मुड़ते हैं। फोटॉन, जो प्रकाश के सूक्ष्म कण हैं, सूचना के उत्कृष्ट वाहक होते हैं क्योंकि वे अपने परिवेश के साथ बहुत कम परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे वे लंबे समय तक अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकते हैं। वे प्रकाश की गति से यात्रा करते हैं और उन्हें साधारण, सस्ते कांच और दर्पणों का उपयोग करके नियंत्रित किया जा सकता है। हालाँकि, गणना करने के लिए, इन फोटॉनों को एक-दूसरे के साथ संवाद करने में सक्षम होना चाहिए, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके लिए उनका पूरी तरह से समान होना और ठीक एक ही क्षण में पहुँचना आवश्यक है। वास्तविक दुनिया में, ऐसे पूर्ण फोटॉन बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। उन्हें उत्पन्न करने वाले स्रोत अक्सर त्रुटिपूर्ण होते हैं, जो कभी-कभी अतिरिक्त अवांछित फोटॉन उगल देते हैं या ऐसे फोटॉन भेजते हैं जो एक-दूसरे से थोड़े भिन्न होते हैं। ये खामियां वे त्रुटियां पैदा करती हैं जो उन नाजुक गणनाओं को बिगाड़ सकती हैं जिन्हें एक क्वांटम कंप्यूटर करने की कोशिश कर रहा होता है।
वर्षों से, शोधकर्ताओं ने इन प्रकाश स्रोतों की गुणवत्ता को दो मानक परीक्षणों का उपयोग करके मापा है। एक परीक्षण यह जांचता है कि दो फोटॉन एक-दूसरे के साथ कितनी अच्छी तरह हस्तक्षेप (interfere) कर सकते हैं, जो एक ऐसी घटना है जहाँ वे अपने समय (timing) के आधार पर या तो विलीन हो जाते हैं या एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। दूसरा परीक्षण यह मापता है कि एक स्रोत के एक बजाय गलती से दो फोटॉन उत्सर्जित करने की कितनी संभावना है। जबकि ये माप नियमित हैं, वैज्ञानिक इन दोनों को एक एकल, स्पष्ट भविष्यवाणी में संयोजित करने के लिए संघर्ष करते रहे हैं कि एक क्वांटम लॉजिक गेट—जो कि क्वांटम कंप्यूटर का एक बुनियादी निर्माण खंड है—वास्तव में कितनी अच्छी तरह काम करेगा। प्रकाश के विभिन्न प्रकार के स्रोत, जैसे कि क्रिस्टल या सूक्ष्म अर्धचालक डॉट्स (semiconductor dots) पर आधारित स्रोत, इन त्रुटियों को अलग-अलग भौतिक तरीकों से उत्पन्न करते हैं, जिससे यह विश्वास बना हुआ था कि एक एकल नियम उन सभी पर लागू नहीं हो सकता है।
इजरायल के वीज़मैन इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस के भौतिकविदों की एक टीम ने अब एक सार्वभौमिक नियम विकसित किया है जो इन स्रोत खामियों को सीधे एक क्वांटम गेट के प्रदर्शन से जोड़ता है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के गेट पर ध्यान केंद्रित किया जिसे नियंत्रित-नॉट (controlled-NOT), या CNOT कहा जाता है, जो दो फोटॉनों को उलझाव (entangling) में लाने के लिए आवश्यक है। फोटॉनों के हस्तक्षेप की गणितीय पद्धति का विश्लेषण करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि त्रुटियों का विशिष्ट भौतिक मूल—चाहे अतिरिक्त शोर सिग्नल के समान स्रोत से आए या किसी अन्य स्रोत से—अंतिम परिणाम को देखते समय मायने नहीं रखता है। इसके बजाय, त्रुटियों को प्रकाश स्रोत के मानक मापों में समाहित कर लिया जाता है। इसका अर्थ यह है कि चाहे फोटॉन क्रिस्टल, लेजर या सॉलिड-स्टेट डिवाइस से आ रहे हों, वही सरल संबंध गेट की सटीकता की भविष्यवाणी करता है।
शोधकर्ताओं ने अपने स्वयं के प्रयोगात्मक सेटअप का उपयोग करके इस सिद्धांत का परीक्षण किया, जिसमें फोटॉनों को एक नियंत्रित टकराव की ओर निर्देशित करने के लिए बीम स्प्लिटर और दर्पणों की एक श्रृंखला का उपयोग किया गया है। उन्होंने अपने निष्कर्षों की तुलना विभिन्न तकनीकों का उपयोग करने वाले अन्य प्रयोगों के प्रकाशित परिणामों से भी की। हर मामले में, बिना किसी चर (variable) को समायोजित किए या अतिरिक्त धारणाएं जोड़े, अनुमानित प्रदर्शन मापे गए प्रदर्शन से मेल खाता था। अध्ययन से पता चला कि हालांकि शोर की भौतिक प्रकृति मशीन के भीतर त्रुटियों के होने के विशिष्ट तरीके को बदल देती है, लेकिन अंतिम परिणाम हमेशा मानक मापों के माध्यम से देखने पर एक ही रहता है। यह खोज प्रभावी रूप से प्रकाश स्रोत के मानक लक्षण वर्णन (characterization) को फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटिंग के पूरे क्षेत्र के लिए एक एकीकृत बेंचमार्क में बदल देती है।
इस कार्य में से एक सबसे महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि विभिन्न प्रकार की त्रुटियों के सापेक्ष महत्व को लेकर है। टीम ने पाया कि त्रुटियां जो फोटॉनों के एक-दूसरे से थोड़े भिन्न होने के कारण होती हैं और त्रुटियां जो अतिरिक्त फोटॉनों के आकस्मिक उत्सर्जन के कारण होती हैं, वर्तमान में सर्वोत्तम प्रयोगों में तुलनीय आकार की हैं। अतीत में, शोधकर्ता अक्सर अतिरिक्त फोटॉनों के उत्सर्जन को एक मामूली सुधार के रूप में देखते थे, लेकिन यह नया विश्लेषण दिखाता है कि यह एक मौलिक त्रुटि का स्रोत है जिसे फोटॉनों की अविभेदनीयता (indistinguishability) की तरह ही कठोरता से दबाया जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने यह भी पहचाना कि एक बार इन स्रोत-संबंधी त्रुटियों को ध्यान में रखने के बाद, क्वांटम गेट में शेष अशुद्धियाँ स्वयं ऑप्टिकल सर्किट—दर्पणों, बीम स्प्लिटर और डिटेक्टरों—से आती हैं। इन दो त्रुटियों के स्रोतों को अलग करके, यह ढांचा इंजीनियरों को यह देखने की अनुमति देता है कि सुधार की आवश्यकता कहाँ है।
अध्ययन ने इस बात को भी स्पष्ट किया कि शोर के विभिन्न प्रकार गेट के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने कच्चे भौतिक विज्ञान (raw physics) को देखा, तो उन्होंने पाया कि यदि अतिरिक्त शोर वाले फोटॉन सिग्नल फोटॉनों से भिन्न हैं, तो वे सिग्नल फोटॉनों के समान होने की तुलना में लगभग दोगुना अधिक त्रुटि पैदा करते हैं। हालाँकि, क्योंकि प्रकाश स्रोत के मानक माप स्वाभाविक रूप से इस अंतर को ध्यान में रखते हैं, इसलिए गेट की निष्ठा (fidelity) के लिए अंतिम भविष्यवाणी सभी प्लेटफार्मों में सुसंगत रहती है। इसका अर्थ यह है कि एक वैज्ञानिक अपने प्रकाश स्रोत की गुणवत्ता का मानक उपकरणों का उपयोग करके माप सकता है और तुरंत अपने क्वांटм गेट की सैद्धांतिक सीमा जान सकता है, चाहे वह किसी भी हार्डवेयर का उपयोग कर रहा हो।
यह कार्य क्वांटम नेटवर्क और कंप्यूटरों के विकास के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। विभिन्न तकनीकों की तुलना को जटिल बनाने वाले अनिश्चितता के स्तर को हटाकर, शोधकर्ताओं ने एक सार्वभौमिक नियम स्थापित किया है जो स्रोत की गुणवत्ता को गेट के प्रदर्शन से जोड़ता है। यह ढांचा सुझाव देता है कि एक कार्यात्मक क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, इंजीनियरों को फोटॉनों की शुद्धता और उन्हें निर्देशित करने वाले ऑप्टिकल सर्किट की सटीकता दोनों में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए। प्रयोगों में पाया गया निरंतर अवशिष्ट त्रुटि (residual error), जो स्रोत की गुणवत्ता बदलने पर भी नहीं बदली, सीधे तौर पर बेहतर ऑप्टिकल घटकों की आवश्यकता की ओर संकेत करती है। इस एकीकृत समझ के साथ, यह क्षेत्र भविष्य की मशीनों के निर्माण के लिए एक अधिक मानकीकृत दृष्टिकोण की ओर बढ़ सकता है।
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