Suppressing Frequency Collisions in a Quantum Processor

उन शांत, परम शून्य (near-absolute-zero) के करीब वाले प्रयोगशालाओं में, जहाँ कंप्यूटिंग की अगली पीढ़ी को गढ़ा जा रहा है, वैज्ञानिक ऐसी मशीनें बना रहे हैं जो सिलिकॉन चिप्स की स्थिर लय के साथ नहीं, बल्कि क्वांटम कणों की नाजुक, टिमटिमाती अवस्थाओं के साथ गणना करती हैं। ये मशीनें, जिन्हें क्वांटम प्रोसेसर कहा जाता है, सूक्ष्म सर्किटों पर निर्भर करती हैं जो कृत्रिम परमाणुओं की तरह व्यवहार करते हैं। इन्हें काम करने के योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को प्रत्येक सर्किट को एक विशिष्ट आवृत्ति (frequency) पर ट्यून करना होता है, ठीक वैसे ही जैसे रेडियो को एक स्पष्ट स्टेशन पर ट्यून किया जाता है। यदि दो सर्किट एक-दूसरे के बहुत करीब ट्यून किए जाते हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं, जिससे एक अराजक शोर पैदा होता है जो उस नाजुक सूचना को नष्ट कर देता है जिसे उन्हें धारण करना होता है। यह समस्या, जिसे 'फ्रीक्वेंसी क्राउडिंग' (आवृत्ति भीड़भाड़) के रूप में जाना जाता है, एक प्रमुख बाधा बन गई है। जैसे-जैसे इंजीनियर अपनी शक्ति बढ़ाने के लिए एक ही प्रोसेसर में अधिक से अधिक सर्किट जोड़ते हैं, उपलब्ध आवृत्तियों की सीमा भीड़भाड़ वाली हो जाती है, और इन अवांछित टकरावों का जोखिम बढ़ जाता है। चुनौती केवल हर सर्किट के लिए पर्याप्त जगह खोजने की नहीं है, बल्कि उन्हें इस तरह व्यवस्थित करने की है कि वे अपने इच्छित साथियों से बात कर सकें बिना अनजाने में अपने पड़ोसियों पर चिल्लाए या पूरे कमरे की चहचहाहट से विचलित हुए।

जर्मनी के पीटर ग्रूनबर्ग इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस भीड़भाड़ वाली समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है। अनुमान लगाने या सरल परीक्षण-और-त्रुटि (trial-and-error) विधियों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक गणितीय ढांचा बनाया जो आवृत्तियों के विन्यास को एक जटिल पहेली की तरह मानता है। उन्होंने महसूस किया कि सर्किटों के बीच का हस्तक्षेप केवल दो पड़ोसियों के आपस में टकराने का मामला नहीं है; यह एक तीसरे पक्ष द्वारा भी प्रभावित होता है जो किनारे से देख रहा है, जिसे वे "स्पेक्टेटर इफेक्ट" (दर्शक प्रभाव) कहते हैं। जब एक तीसरा सर्किट पास में स्थित होता है, तो वह उन दो के बीच की अंतःक्रिया को सूक्ष्म रूप से बदल सकता है जो एक साथ काम करने की कोशिश कर रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे बातचीत में तीसरा व्यक्ति संवाद के स्वर को बदल सकता है, भले ही वह बोल न रहा हो। शोधकर्ताओं ने इन भौतिक अंतःक्रियाओं को एक 'कॉस्ट फंक्शन' (लागत फलन) पर मैप किया, जो एक प्रकार का डिजिटल स्कोरकार्ड है जो किसी भी ऐसे विन्यास को दंडित करता है जहाँ सर्किट बहुत करीब हों या जहाँ कोई तीसरा पक्ष परेशानी पैदा करता हो। उनका लक्ष्य एक ऐसा विन्यास खोजना था जहाँ प्रत्येक सर्किट के पास संचालित होने के लिए पर्याप्त स्थान हो, एक ऐसी स्थिति जिसे वे "गोल्डिलॉक्स वैली" (Goldilock valley) कहते हैं जहाँ स्थितियाँ बिल्कुल सही होती हैं।

इस आदर्श व्यवस्था को खोजने के लिए, टीम ने कई अलग-अलग रणनीतियों का परीक्षण किया। उन्होंने एक क्लासिक कंप्यूटर विधि, जिसे 'सिमुलेटेड एनीलिंग' (simulated annealing) कहा जाता है, जो निम्नतम ऊर्जा अवस्था खोजने के लिए एक प्रणाली को धीरे-धीरे ठंडा करती है, की तुलना एक नए, अधिक प्रयोगात्मक दृष्टिकोण से की, जो एक क्वांटम एल्गोरिदम का उपयोग करता है। इस क्वांटम पद्धति को एक विशेष 'स्टीयरिंग मैकेनिज्म' (मार्गदर्शन तंत्र) के साथ उन्नत किया गया था, जिसे कंप्यूटर को समस्या के परिदृश्य के ऊंचे, ऊबड़-खाबड़ ढलानों के माध्यम से नेविगेट करने में मदद करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। सिमुलेशन की डिजिटल दुनिया में, ये ढलान उन विनाशकारी त्रुटियों का प्रतिनिधित्व करते हैं जो आवृत्तियों के टकराने पर होती हैं। मानक विधियाँ अक्सर इन ढलानों के किनारों पर फंस जाती हैं, और सुरक्षित घाटी तक का रास्ता खोजने में असमर्थ रहती हैं। हालाँकि, उन्नत क्वांटम पद्धति इन तीव्र ढलानों का उपयोग स्वयं को निर्देशित करने के लिए करने में सक्षम थी, प्रभावी रूप से त्रुटि की दिशा को महसूस करने और उससे दूर जाने में सक्षम रही।

शोधकर्ताओं ने आठ सर्किटों वाली एक सीढ़ी जैसी संरचना और सोलह सर्किटों वाले एक वर्गाकार ग्रिड सहित विभिन्न आकारों और आकृतियों के प्रोसेसर के डिजिटल मॉडल पर अपने विचारों का परीक्षण किया। उन्होंने इन बड़े, जटिल ग्रिडों को छोटे, ओवरलैपिंग खंडों में विभाजित किया, प्रत्येक छोटे खंड के लिए फ्रीक्वेंसी पहेली को हल किया, और फिर पूरे प्रोसेसर के लिए एक पूर्ण मानचित्र बनाने के लिए समाधानों को आपस में जोड़ा। इस "क्लस्टर-स्टिचिंग" (समूह-सिलाई) दृष्टिकोण ने उन्हें उन समस्याओं से निपटने की अनुमति दी जो एक साथ हल करने के लिए बहुत बड़ी थीं। उनके परिणामों ने दिखाया कि जबकि क्लासिक सिमुलेटेड एनीलिंग विधि वर्तमान में उनके द्वारा चलाए गए विशिष्ट परीक्षण मामलों के लिए सर्वोत्तम समाधान खोजती है, उन्नत क्वांटम पद्धति समस्या के कठिन परिदृश्य को नेविगेट करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण साबित हुई। इसने सबसे खराब टकरावों से सफलतापूर्वक बचाव किया और ऐसी स्थिर व्यवस्थाएं खोजीं जो सर्किटों को एक-दूसरे से अलग रखने में सक्षम रहीं।

अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि सर्किटों को केवल दूर रखना ही पर्याप्त नहीं है। इन सुपरकंडक्टिंग सर्किटों के जटिल भौतिकी के कारण, एक सुरक्षित दूरी भी कभी-कभी त्रुटियों का कारण बन सकती है यदि विशिष्ट आवृत्तियाँ इस तरह संरेखित होती हैं कि एक छिपा हुआ अनुनाद (resonance) उत्पन्न होता है। तीन-सर्किट की अंतःक्रियाओं के प्रभावों को अपने नियोजन में शामिल करके, शोधकर्ता इन छिपे हुए जाल को पहचान और टाल सकते थे। यह दृष्टिकोण भविष्य के प्रोसेसरों को डिजाइन करने का एक तरीका प्रदान करता है जो शुरू से ही त्रुटियों के प्रति कम संवेदनशील हों, बजाय इसके कि मशीन बनने के बाद त्रुटियों को ठीक करने की कोशिश की जाए। यह कार्य इन क्वांटम मशीनों के लेआउट की योजना बनाने का एक व्यवस्थित तरीका प्रदान करता है, जो सर्किटों के कैसे परस्पर क्रिया करते हैं इसके सूक्ष्म भौतिकी को उनके कैसे व्यवस्थित किए जाते हैं इसके बड़े पैमाने के इंजीनियरिंग से जोड़ता है। जबकि क्लासिक पद्धति वर्तमान में परीक्षण किए गए आकारों के लिए सर्वोत्तम व्यवस्था खोजने में बढ़त बनाए हुए है, क्वांटम दृष्टिकोण भविष्य की और भी बड़ी, अधिक जटिल मशीनों को संभालने के लिए आशाजनक है, जो एक स्वचालित डिजाइन की ओर मार्ग प्रशर करता है जो क्वांटम प्रोसेसर को सुचारू रूप से चलाने में सक्षम रखता है।