Independent density and coherence skin effects in adaptive fermion circuits

क्वांटम दुनिया में, कण हमेशा उस तरह व्यवहार नहीं करते जैसे हम दैनिक जीवन में ठोस वस्तुओं को देखते हैं। वे सुपरपोजिशन (superposition) की स्थिति में हो सकते हैं, जहाँ वे केवल एक स्थान पर या दूसरे स्थान पर नहीं होते, बल्कि एक साथ संभावनाओं के मिश्रण में होते हैं। इस मिश्रण को कोहेरेंस (coherence) कहा जाता है, और यह उस नाजुक इंजन के पीछे की शक्ति है जिसके माध्यम से वैज्ञानिक अल्ट्रा-फास्ट कंप्यूटरों से लेकर अनहैकेबल संचार नेटवर्क तक कई शक्तिशाली तकनीकों के निर्माण की आशा कर रहे हैं। हालाँकि, इन कणों को नियंत्रण में रखना कठिन है। आमतौर पर, जब वैज्ञानिक कणों को एक विशिष्ट दिशा में धकेलने की कोशिश करते हैं, तो वे अपने नाजुक क्वांटम कनेक्शनों पर नियंत्रण खो देते हैं, या जब वे उन कनेक्शनों को संरक्षित करने की कोशिश करते हैं, तो कण वहां जाने से इनकार कर देते हैं जहाँ उन्हें बताया जाता है। लंबे समय तक, ऐसा प्रतीत होता था कि क्वांटम मैकेनिक्स के नियम एक ट्रेड-ऑफ (trade-off) को मजबूर करते हैं: आप या तो पदार्थ का प्रवाह रख सकते थे, या सूचना का प्रवाह, लेकिन एक ही सिस्टम में स्वतंत्र नियंत्रण के साथ दोनों को पाना दुर्लभ था।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब दिखाया है कि यह ट्रेड-ऑफ एक मौलिक नियम नहीं है, बल्कि हमारे द्वारा इन प्रणालियों को बनाने के तरीके की एक सीमा है। माप (measurement) को तत्काल, स्वचालित फीडबैक के साथ संयोजित करने वाले एक नए प्रकार के क्वांटम सर्किट का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसा सेटअप तैयार किया है जहाँ कणों का प्रवाह और उनके क्वांटम कनेक्शनों का प्रवाह पूरी तरह से अलग दिशाओं में संचालित किया जा सकता है। इस प्रणाली में, कण एक श्रृंखला के एक छोर पर जमा हो सकते हैं जबकि उनके क्वांटम कनेक्शन दूसरे छोर पर जमा हो सकते हैं। यह खोज उन क्वांटम उपकरणों को डिजाइन करने के लिए एक नया द्वार खोलती है जो इन दो आवश्यक गुणों को स्वतंत्र रूप से अलग और हेरफेर कर सकते हैं, जिससे अधिक मजबूत और बहुमुखी क्वांटम मशीनों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त होता है।

शोधकर्ताओं ने फर्मियॉन (fermions)—वे कण जैसे इलेक्ट्रॉन जो साधारण पदार्थ बनाते हैं—के एक मॉडल के साथ काम करते हुए, एक क्वांटम सर्किट का डिजिटल सिमुलेशन बनाया। इस सर्किट में, कण साइटों की एक रेखा के साथ चलते हैं, लेकिन उनकी गति नियमों के एक निश्चित सेट द्वारा नियंत्रित नहीं होती है। इसके बजाय, सिस्टम लगातार कणों की स्थिति की जांच करता है और जो वह पाता है उसके आधार पर अपने व्यवहार को समायोजित करता है। इस प्रक्रिया को एक एडेप्टिव सर्किट (adaptive circuit) कहा जाता है। एक ट्रैफ़िक सिस्टम की कल्पना करें जहाँ एक कैमरा एक कार को देखता है, और इस आधार पर कि कार वहां है या नहीं, एक गेट खुलता है ताकि उसे आगे या पीछे जाने दिया जा सके। क्वांटम संस्करण में, यह "कैमरा" एक कमजोर माप (weak measurement) है जो कण की नाजुक स्थिति को नष्ट किए बिना सिस्टम की कोमलता से जांच करता है, और "गेट" एक क्वांटम ऑपरेशन है जो परिणाम के आधार पर कण के पथ को बदल देता है।

इस कार्य में मुख्य नवाचार यह है कि शोधकर्ताओं ने इस फीडबैक लूप के दो अलग-अलग हिस्सों का उपयोग दो अलग-अलग चीजों को नियंत्रित करने के लिए किया। पहला भाग, स्वयं माप, एक कोमल हवा की तरह कार्य करता है जो कणों को धकेलता है। यदि माप पर्याप्त मजबूत है, तो यह एक पूर्वाग्रह (bias) बनाता है जो कणों को एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में अधिक बढ़ने की संभावना देता है। इससे कण एक विशिष्ट किनारे पर जमा होने लगते हैं, या "स्किन" (skin) करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस जमाव की तीव्रता पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती है कि माप कितना मजबूत है और फीडबैक कण को कितनी दूर धकेलता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रभाव कठोर है; इसे इस बात की परवाह नहीं है कि कणों को चलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले क्वांटम गेट्स का विवरण क्या है। कण हमेशा उसी किनारे पर और उसी आकार के साथ जमा होंगे, चाहे क्वांटम लॉजिक को कैसे भी ट्यून किया जाए।

दूसरा भाग सिस्टम के क्वांटम कनेक्शनों, या कोहेरेंस (coherences), को नियंत्रित करता है, जो कणों के बीच के संबंध हैं। ये कनेक्शन ही हैं जो क्वांटम कंप्यूटरों को जटिल गणनाएं करने की अनुमति देते हैं। अधिकांश प्रणालियों में, यदि आप कणों को धकेलते हैं, तो आप कनेक्शनों को भी उसी दिशा में धकेलते हैं। हालाँकि, इस एडेप्टिव सर्किट में, शोधकर्ताओं ने पाया कि क्वांटम गेट्स का फेज (phase)—यानी लॉजिक ऑपरेशन का आंतरिक समय—कनेक्शनों को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। एक एकल कोण को समायोजित करके, वे उस दिशा को बदल सकते थे जिसमें कनेक्शन जमा होते हैं। वे कनेक्शनों को कणों के विपरीत किनारे पर जमा कर सकते थे, या उन्हें उसी किनारे पर अलग ढलान के साथ भी जमा कर सकते थे।

प्रभावों का यह पृथक्करण ही वह है जिसे शोधकर्ता स्वतंत्र स्किन इफेक्ट (independent skin effects) कहते हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि फीडबैक गेट्स के सापेक्ष फेज को ट्यून करके, वे सिस्टम को एक टोपोलॉजिकल ट्रांजिशन (topological transition) के माध्यम से ले जा सकते हैं। यह सिस्टम की वैश्विक संरचना में एक अचानक परिवर्तन है जहाँ कनेक्शनों के लिए पसंदीदा दिशा उलट जाती है। एक विशिष्ट सेटिंग पर, कनेक्शन किसी भी किनारे पर जमा होना बंद कर देते हैं और समान रूप से फैल जाते हैं, और फिर विपरीत दिशा में जमा होने के लिए उलट जाते हैं। इस बीच, कण अपने मूल किनारे पर जमा होना जारी रखते हैं, जो इस परिवर्तन से पूरी तरह अप्रभावित रहता है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि कणों का घनत्व केवल माप की शक्ति द्वारा निर्धारित होता है, जबकि कनेक्शनों का स्थानीयकरण विभिन्न क्वांटम गेट्स के बीच हस्तक्षेप (interference) द्वारा निर्धारित होता है।

इन निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए, टीम ने सर्किट के विस्तृत सिमुलेशन चलाए। उन्होंने सिस्टम के स्थिर अवस्था (stationary state) का अवलोकन किया, जहाँ कण स्थिर होते हैं, जिसमें घनत्व का एक पूर्ण घातांकीय झुकाव (exponential tilt) देखा गया जो उनके अनुमानों से बिल्कुल मेल खाता था। यह झुकाव गेट सेटिंग्स से स्वतंत्र था। इसके विपरीत, सिस्टम के क्षयकारी मोड (decaying modes), जो क्वांटम कनेक्शनों के फीके पड़ने का प्रतिनिधित्व करते हैं, एक अलग घातांकीय प्रोफाइल दिखाते थे जो गेट फेसेज़ को बदलने के साथ बदल जाता था। उन्होंने इस प्रभाव को वास्तविक प्रयोग में देखने का एक व्यावहारिक तरीका भी प्रस्तावित किया। सीधे नाजुक कनेक्शनों को मापने के बजाय, जो कठिन है, उन्होंने दो थोड़े अलग शुरुआती स्थितियों के बीच के अंतर को मापने का सुझाव दिया। इन दो अवस्थाओं के विकास की तुलना करके, कनेक्शन की दिशा के बारे में छिपी जानकारी को बिना केवल "सफल" परिणामों को चुने निकाला जा सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो आमतौर पर अधिकांश डेटा बर्बाद कर देती है।

इस कार्य के निहितार्थ क्वांटम प्रौद्योगिकी के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हैं। यह दिखाता है कि नॉन-रेसिप्रोकल व्यवहार (non-reciprocal behavior), जहाँ चीजें एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में अलग तरह से चलती हैं, एक एकल, अखंड गुण नहीं होना चाहिए। एडेप्टिव फीडबैक का उपयोग करके, वैज्ञानिक अब ऐसे सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं जहाँ पदार्थ और सूचना अलग-अलग तरीकों से प्रवाहित होते हैं। इससे क्वांटम सेंसर या मेमोरी डिवाइस के नए प्रकार बन सकते हैं जहाँ डेटा का भंडारण और डेटा का प्रवाह भौतिक रूप से अलग होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी उल्लेख किया कि यह प्रभाव तब भी बना रहता है जब सिस्टम में एक के बजाय कई कण होते हैं, जो यह सुझाव देता है कि सिद्धांत वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत है।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि एडेप्टिव सर्किट एक अद्वितीय द्वैत संरचना प्रदान करता है जो पिछले डिजाइनों में गायब थी। जबकि पारंपरिक प्रणालियाँ केवल कणों और कनेक्शनों दोनों के लिए एक ही प्रकार का दिशात्मक पूर्वाग्रह दे सकती थीं, यह नया आर्किटेक्चर दो अलग-अलग पूर्वाग्रहों की अनुमति देता है। माप का बैकएक्शन (backaction) कण घनत्व के झुकाव को स्थिर करता है, जबकि कंडिश्न्ड गेट्स का इंटरफेरेंस कोहेरेंस के वाइंडिंग (winding) को स्थिर करता है। यह दोनों क्षेत्रों को विपरीत सीमाओं पर स्थानीयकृत करने की अनुमति देता है, जो पहले असंभव माना जाता था। शोधकर्ताओं ने एक-कण मामले के लिए गणितीय प्रमाण प्रदान किया है और सिमुलेशन के माध्यम से दिखाया है कि यह प्रभाव पूर्ण सिस्टम के लिए भी लागू होता है। उन्होंने वर्तमान मिड-सर्किट मेजरमेंट तकनीकों का उपयोग करके इस घटना को देखने के लिए प्रयोगकर्ताओं के लिए एक स्पष्ट मार्ग भी तैयार किया है, जो एक सैद्धांतिक जिज्ञासा को अगली पीढ़ी की क्वांटम इंजीनियरिंग के लिए एक मूर्त उपकरण में बदल देता है।