Scattering amplitudes from quantum hardware a la RESOs
यह शोध पत्र IBM क्वांटम हार्डवेयर पर रियल-टाइम एस्टिमेटर्स फॉर स्कैटरिंग ऑब्जर्वेबल्स (RESOs) के पहले कार्यान्वयन की रिपोर्ट करता है, जिसने बाउंड स्टेट्स और स्कैटरिंग एम्प्लीट्यूड के निष्कर्षण को प्रदर्शित करने के लिए 109 क्वबिट्स का उपयोग करके एक 1D फर्मियन लैटिस मॉडल के लिए स्पेसटाइम कोरिलेशन फंक्शन्स को सफलतापूर्वक कंप्यूट किया है।
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उप-परमाण्विक दुनिया में, कण केवल बिलियर्ड बॉल्स की तरह एक-दूसरे से टकराकर नहीं लौटते; वे आपस में क्रिया करते हैं, विलीन होते हैं और रूपांतरित होते हैं, जो उन मूलभूत बलों को प्रकट करते हैं जो पदार्थ को थामे रखते हैं। इन अंतःक्रियाओं को समझने के लिए, भौतिक विज्ञानी स्कैटरिंग एम्प्लीट्यूड (scattering amplitudes) पर भरोसा करते हैं, जो कि गणितीय विवरण हैं जो यह भविष्यवाणी करते हैं कि कणों के टकराने पर वे कैसा व्यवहार करेंगे। दशकों से, दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाली प्रणालियों के लिए इन परिणामों की गणना करने का एकमात्र विश्वसनीय तरीका जटिल सिमुलेशन चलाने वाले विशाल शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर रहे हैं। ये सिमुलेशन समय को छोटे, जमे हुए चरणों में तोड़कर काम करते हैं, जो एक ऐसी विधि है जो अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली है लेकिन मौलिक रूप से सीमित है क्योंकि यह वास्तविक समय में क्या होता है, इसका आसानी से वर्णन नहीं कर सकती। जैसे-जैसे वैज्ञानिक प्रयोगों की अगली पीढ़ी की ओर देख रहे हैं, प्रोटॉन की संरचना की जांच करने से लेकर मानक मॉडल (Standard Model) की सीमाओं का परीक्षण करने तक, एक ऐसी विधि की आवश्यकता तत्काल हो गई है जो कणों के निरंतर, प्रवाहित विकास का वास्तविक समय में अनुकरण कर सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक क्वांटम कंप्यूटर पर सीधे स्कैटरिंग गणना चलाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। समय को जमाने के बजाय, उन्होंने वास्तविक समय में एक प्रणाली को आगे बढ़ाने की क्वांटम हार्डवेयर की अनूठी क्षमता का उपयोग किया, जो एक सेकंड के अंश में सेकंडों के वास्तविक बीतने की नकल करता है। टीम ने परमाणु भौतिकी के एक सरलीकृत मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक आयामी सिद्धांत है जहाँ कण संपर्क के एक एकल बिंदु के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने एक क्वांटम प्रोसेसर को इन कणों के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए प्रोग्राम किया जब वे चलते थे, टकराते थे और बंधित अवस्थाएं (bound states) बनाते थे, जिससे प्रभावी रूप से एक डिजिटल प्रयोगशाला बन गई जहाँ क्वांटम यांत्रिकी के नियम पारंपरिक तरीकों के कृत्रिम प्रतिबंधों के बिना संचालित हुए।
यह प्रयोग एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर पर किया गया था, जो एक मशीन है जो क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स का उपयोग सूचना को संग्रहीत करने और संसाधित करने के लिए करती है। शोधकर्ताओं ने अपने भौतिक मॉडल को हार्डवेयर पर मैप किया, जिसमें कणों और उनकी अंतःक्रियाओं को 54 स्थानिक बिंदुओं के ग्रिड पर दर्शाने के लिए कुल 109 क्यूबिट्स का उपयोग किया गया। उन्होंने सिस्टम को 20 अलग-अलग समय चरणों के माध्यम से विकसित करने के लिए 10,000 से अधिक क्वांटम लॉजिक गेट्स के अनुक्रम को लागू किया। इस प्रक्रिया ने उन्हें अंतरिक्ष और समय में कणों के एक-दूसरे के साथ सह-संबंध (correlate) को मापने की अनुमति दी। इन सह-संबंधों का विश्लेषण करके, टीम स्कैटरिंग एम्प्लीट्यूड निकालने में सक्षम हुई, जो एक प्रमुख मान है जो बताता है कि कण एक-दूसरे से कैसे बिखरते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने एक बंधित अवस्था (bound state) के निर्माण को भी देखा, जो कणों का एक स्थिर जोड़ा है जो उनकी अंतःक्रिया द्वारा जुड़ा हुआ है, जो उनके डेटा में एक विशिष्ट शिखर (peak) के रूप में दिखाई दिया।
परिणामों ने क्वांटम हार्डवेयर और सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के बीच एक आश्चर्यजनक सहमति दिखाई। जब शोधकर्ताओं ने अपने मापन की तुलना इस विशिष्ट मॉडल के ज्ञात गणितीय समाधान से की, तो डेटा त्रुटि के एक संकीर्ण दायरे के भीतर था, जो अपेक्षित मान से दो मानक विचलन (standard deviations) से कम अंतर रखता था। वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर की सीमाओं को देखते हुए, जो अभी भी शोर और त्रुटियों के प्रति संवेदनशील है, यह स्तर की सटीकता उल्लेखनीय है। टीम ने प्रदर्शित किया कि इन खामियों के बावजूद, क्वांटम कंप्यूटर सिस्टम की आवश्यक भौतिकी, जिसमें बंधित अवस्था के ऊर्जा स्तर और विभिन्न ऊर्जाओं पर कणों के बिखरने का तरीका शामिल है, को सफलतापूर्वक कैप्चर कर सकता है। उन्होंने इसे विभिन्न मोमेंटा (momenta) पर परिणामों का औसत निकालकर हासिल किया, जो एक ऐसी तकनीक है जिसने शोर को सुचारू बनाने और अंतर्निहित भौतिक सत्य को प्रकट करने में मदद की।
यह कार्य पहली बार है जब 'रियल-टाइम एस्टिमेटर्स फॉर स्कैटरिंग ऑब्जर्वेबल्स' नामक एक विशिष्ट प्रोटोकॉल का उपयोग करके क्वांटम हार्डवेयर पर एक स्कैटरिंग अवलोकन की गणना की गई है। हालांकि उपयोग किया गया मॉडल परमाणु भौतिकी का एक सरलीकृत संस्करण था, लेकिन यह विधि स्केलेबल (scalable) है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका दृष्टिकोण बड़ी संख्या में कणों और समय चरणों वाले सिस्टम को संभाल सकता है, जो उन अधिक जटिल प्रतिक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक मार्ग का सुझाव देता है जो वर्तमान में शास्त्रीय कंप्यूटरों की पहुंच से बाहर हैं। इस प्रयोग की सफलता का अर्थ यह नहीं है कि क्वांटम कंप्यूटरों ने परमाणु भौतिकी की सभी समस्याओं को हल कर लिया है, बल्कि यह सिद्ध करता है कि हार्डवेयर कण टकरावों के अध्ययन के लिए आवश्यक विशिष्ट प्रकार के वास्तविक-समय विकास को करने में सक्षम है।
इस उपलब्धि के निहितार्थ इस अध्ययन में गणना किए गए विशिष्ट आंकड़ों से परे हैं। वास्तविक-समय की गतिशीलता का अनुकरण करने की क्षमता बाहरी जांच (external probes) से जुड़ी प्रक्रियाओं की जांच के द्वार खोलती है, जैसे कि प्रकाश या अन्य बलों के साथ कणों की अंतःक्रिया, जिन्हें वर्तमान तकनीकों के साथ मॉडल करना कठिन है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस विधि को अंततः अधिक जटिल सिद्धांतों पर लागू किया जा सकता है, जिनमें वे सिद्धांत शामिल हैं जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर क्वार्क्स को बांधने वाले प्रबल बल (strong force) का वर्णन करते हैं। हालांकि, इस क्षमता को साकार करने के लिए हार्डवेयर और इसे नियंत्रित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले एल्गोरिदम दोनों में और अधिक प्रगति की आवश्यकता होगी। वर्तमान अध्ययन एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि सैद्धांतिक भौतिकी और क्वांटम हार्डवेयर के बीच का सेतु न केवल एक संभावना है, बल्कि एक कार्यशील वास्तविकता है।
टीम के निष्कर्ष त्रुट निवारण रणनीतियों (error mitigation strategies) के महत्व को भी रेखांकित करते हैं। चूंकि क्वांटम कंप्यूटर अपने वातावरण के प्रति संवेदनशील होते हैं, इसलिए एकत्र किया गया डेटा कभी भी पूर्ण नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने बहुत कम समय के पैमाने पर सिस्टम के ज्ञात व्यवहार का उपयोग करके इन त्रुटियों का अनुमान लगाने और उन्हें ठीक करने का एक तरीका विकसित किया। इसने उन्हें लंबे समय के विकास के लिए परिणामों पर भरोसा करने की अनुमति दी, यह सुनिश्चित करते हुए कि देखा गया बंधित अवस्था और स्कैटरिंग पैटर्न वास्तविक भौतिक घटनाएं हैं न कि मशीन के कृत्रिम प्रभाव। शोर को संभालने का यह सावधानीपूर्ण दृष्टिकोण संभवतः एक मानक अभ्यास बन जाएगा क्योंकि यह क्षेत्र अधिक महत्वाकांक्षी सिमुलेशन की ओर बढ़ रहा है।
आगे देखते हुए, शोधकर्ता इस कार्य के विस्तार के लिए एक स्पष्ट मार्ग देखते हैं। वे समान तकनीकों को अधिक जटिल मॉडलों पर लागू करने की योजना बना रहे हैं जिनमें कई प्रकार के कण और अधिक जटिल अंतःक्रियाएं शामिल हैं। अंतिम लक्ष्य उन गुणों की गणना करना है जो वर्तमान में अप्राप्य हैं, जैसे कि परमाणु नाभिक की आंतरिक संरचना या चरम स्थितियों के तहत पदार्थ का व्यवहार। हालांकि एक सरलीकृत एक-आयामी मॉडल से ब्रह्मांड के पूर्ण विवरण तक की यात्रा लंबी है, यह प्रयोग एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। यह दिखाता है कि क्वांटम कंप्यूटर केवल अमूर्त गणितीय समस्याओं को हल करने के लिए ही नहीं हैं; वे वास्तविक दुनिया में कणों के वास्तविक नृत्य का अनुकरण कर सकते हैं, जो प्रकृति के मूलभूत निर्माण खंडों को देखने के लिए एक नया लेंस प्रदान करते हैं।
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