Reservoir- and Measurement-free Microwave Initialization of Semiconductor Spin Qubits
यह शोध पत्र माइक्रोवेव और बेसबैंड पल्स के एक निश्चित अनुक्रम का उपयोग करके सिलिकॉन स्पिन क्वबिट्स को 99.4% फिडेलिटी (fidelity) के साथ सिंगलेट अवस्था में इनिशियलाइज़ करने के लिए एक स्केलेबल, रिज़र्वोइर-मुक्त और मेजरमेंट-मुक्त विधि प्रदर्शित करता है, जो बड़े पैमाने के क्वांटम प्रोसेसर के लिए एक व्यावहारिक नियंत्रण प्रिमिटिव (control primitive) प्रदान करता है।
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एक क्वांटम कंप्यूटर बनाना एक ऐसे शहर को बनाने की कोशिश करने जैसा है जहाँ हर एक घर को अपनी खुद की निजी बिजली संयंत्र और लाइट जलाने के लिए एक समर्पित सुरक्षा गार्ड की आवश्यकता होती है। सबसे आशाजनक प्रकार के क्वांटम प्रोसेसर के लिए, जो नन्हे सिलिकॉन चिप्स से बने हैं, यह आवश्यकता एक बड़ी बाधा रही है। ये प्रोसेसर इलेक्ट्रॉनों नामक कणों, विशेष रूप से उनके "स्पिन" (spin) पर निर्भर करते हैं, जो एक छोटे आंतरिक दिशा-सूचक यंत्र (compass) की तरह कार्य करता है जो या तो ऊपर या नीचे की ओर इशारा करता है। गणना करने के लिए, इन दिशा-सूचकों को हर एक ऑपरेशन से पहले एक ज्ञात शुरुआती स्थिति में, आमतौर पर नीचे की ओर, रीसेट किया जाना चाहिए। अब तक, इस रीसेट को करने के लिए प्रत्येक नन्हे इलेक्ट्रॉन को अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के भंडार (reservoir) से जोड़ने वाले तारों के एक जटिल नेटवर्क, या इलेक्ट्रॉन की अवस्था को मापने के लिए एक संवेदनशील सेंसर की आवश्यकता होती थी ताकि कंप्यूटर को बता सके कि उसे कब पलटना है। जैसे-जैसे वैज्ञानिक इन क्यूबिट्स (qubits) की संख्या को चिप पर अधिक से अधिक बढ़ाने की कोशिश कर रहे हैं ताकि उन्हें शक्तिशाली बनाया जा सके, उन सभी अतिरिक्त तारों और सेंसरों को हर एक स्थान तक ले जाना भौतिक रूप से असंभव हो जाता है। बुनियादी ढांचा बहुत अधिक जगह घेर लेता है और प्रबंधित करने के लिए बहुत उलझ जाता है।
जापान के RIKEN में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक तरीका खोजा है जिससे बिना उन अतिरिक्त तारों या सेंसरों के इन सिलिकॉन स्पिन्स को रीसेट किया जा सकता है। उन्होंने एक विधि का प्रदर्शन किया जो डिवाइस में पहले से मौजूद माइक्रोवेव पल्स और इलेक्ट्रिकल संकेतों के एक निश्चित क्रम (sequence) का उपयोग करती है। इलेक्ट्रॉन स्पिन्स को दो लोगों की जोड़ी के रूप में सोचें जो या तो एक ही दिशा में देख सकते हैं या विपरीत दिशाओं में। शोधकर्ता उन दोनों को विपरीत दिशाओं में देखने के लिए मजबूर करना चाहते थे, जो गणना शुरू करने के लिए एक आवश्यक अवस्था है। अतीत में, यदि जोड़ी संयोग से एक ही दिशा में होती, तो सिस्टम वहीं अटक जाता। नई विधि एक चतुर ट्रिक की तरह काम करती है जो अटकी हुई जोड़ी को धीरे से धकेलती है, माइक्रोवेव्स का उपयोग करके उन्हें एक अलग विन्यास (configuration) में हिला देती है जहाँ वे स्वाभाविक रूप से सही शुरुआती स्थिति में स्थिर हो सकें। यह प्रक्रिया बार-बार और स्वचालित रूप से होती है, जो दिशाओं के एक अस्त-व्यस्त मिश्रण को एक स्वच्छ, समान शुरुआती अवस्था में बदल देती है।
यह प्रयोग इंटेल द्वारा निर्मित सिलिकॉन और उससे संबंधित सामग्री जर्मेनियम (germanium) से बने एक डिवाइस में किया गया था। शोधकर्ताओं ने एक नन्हे 'डबल-वेल स्ट्रक्चर' में फंसे इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने इलेक्ट्रॉनों को अंदर-बाहर करने के लिए किसी बाहरी भंडार (reservoir) का उपयोग नहीं किया, और न ही उन्होंने हर प्रयास के बाद परिणाम की जांच करने के लिए किसी सेंसर का उपयोग किया। इसके बजाय, वे इस बात पर निर्भर थे कि स्पिन विद्युत आवेशों (electric charges) के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। जब स्पिन "ब्लॉक" अवस्था में होते हैं—यानी, वे एक ही दिशा में होते हैं और आसानी से हिल नहीं सकते—तो उन्हें माइक्रोवेव ऊर्जा के एक झोंके द्वारा संचालित किया जाता है। यह ऊर्जा उन्हें एक अस्थायी अवस्था में धकेल देती है जहाँ वे अन्य अवस्थाओं के साथ मिल सकते हैं। एक बार जब वे मिल जाते हैं, तो वे स्वाभाविक रूप से एक स्थिर "सिंगलेट" (singlet) अवस्था में शांत हो जाते हैं, जो कि एक विशिष्ट जोड़ी है जहाँ स्पिन्स विपरीत दिशा में होते हैं। क्योंकि माइक्रोवेव्स को केवल "गलत" अवस्थाओं को प्रभावित करने के लिए ट्यून किया गया है, इसलिए सही अवस्था अप्रभावित रहती है। इस धकेलने और प्रतीक्षा करने के चक्र को दोहराकर, शोधकर्ता 99.4 प्रतिशत की सफलता दर के साथ इलेक्ट्रॉनों को वांछित शुरुआती अवस्था में संचित कर सके।
टीम ने 'एक्सचेंज स्पेक्ट्रोस्कोपी' (exchange spectroscopy) नामक एक तकनीक का उपयोग करके स्पिन्स की अंतिम अवस्था की जांच करके अपने परिणामों को सत्यापित किया। इस पद्धति ने पुष्टि की कि इलेक्ट्रॉन न केवल सही चार्ज विन्यास में थे, बल्कि वास्तव में गणनाओं के लिए आवश्यक विशिष्ट परिचालन अवस्था में भी थे, जिसमें एक स्पिन ऊपर और दूसरा नीचे की ओर था। यह प्रक्रिया लगभग 12 माइक्रोसेकंड में पूरी हुई, जो आधुनिक क्वांटम कंप्यूटिंग की जरूरतों के लिए पर्याप्त तेज़ है। शोधकर्ताओं ने अपने वर्तमान डिवाइस की विशिष्ट भौतिक सीमाओं की भी पहचान की। उन्होंने पाया कि रीसेट की गति माइक्रोवेव पल्स द्वारा सीमित नहीं है, जो बहुत तेज़ होते हैं, बल्कि इस बात से सीमित है कि धकेले जाने के बाद इलेक्ट्रॉन कितनी जल्दी अंतिम अवस्था में स्थिर होते हैं। उन्होंने गणना की कि बेहतर मैग्नेटिक ग्रेडिएंट जैसे सुधारों के साथ, इस समय को एक माइक्रोसेकंड से भी कम किया जा सकता है।
यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह क्वांटम कंप्यूटरों को बड़े पैमाने पर बनाने (scaling up) के लिए एक प्रमुख वास्तुशिल्प बाधा को हटा देता है। यह दिखाकर कि इनिशियलाइजेशन (initialization) को पल्स के एक निश्चित क्रम के साथ स्थानीय रूप से किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि एक घने चिप के भीतर स्थित क्यूबिट्स को अपने समर्पित भंडार या सेंसर की आवश्यकता नहीं होती है। यह एक ही चिप पर लाखों क्यूबिट्स को पैक करने का मार्ग खोलता है ताकि वायरिंग अनियंत्रित न हो जाए। यह विधि उस मौलिक भौतिकी पर निर्भर करती है जो कई सेमीकंडक्टर सिस्टम में मौजूद है, जिससे पता चलता है कि इसे अन्य प्रकार के सिलिकॉन-आधारित क्वांटम प्रोसेसरों के लिए भी अपनाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक जटिल, बुनियादी ढांचे-भारी समस्या को एक सरल, दोहराए जाने वाले नियंत्रण क्रम से हल किया जा सकता है, जिससे बड़े पैमाने के क्वांटम प्रोसेसरों की राह बहुत स्पष्ट हो गई है।
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