Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि एनकोडेड क्वबिट्स तक ऑपरेशन्स को सीमित करने के बजाय 48-स्पिन सिंगलेट मैनिफोल्ड के पूर्ण हिल्बर्ट स्पेस का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने प्रति एक्सचेंज इंटरेक्शन की रिकॉर्ड-निम्न सिस्टम-लेवल त्रुटि दर प्राप्त की, जो समृद्ध स्कैम्बलिंग डायनेमिक्स को प्रकट करती है और एक्सचेंज-ओनली क्वांटम कंप्यूटिंग प्रदर्शन के लिए एक नया बेंचमार्क स्थापित करती है।
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आज के कंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाली मशीन बनाने की खोज में, वैज्ञानिक सूचनाओं को संग्रहीत और संसाधित करने के कई अलग-अलग तरीकों की खोज कर रहे हैं। एक आशाजनक दृष्टिकोण इलेक्ट्रॉनों के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन (magnetic spins) पर निर्भर करता है, जो ऊपर या नीचे की ओर इशारा करने वाले सूक्ष्म दिशा-सूचक यंत्रों (compass needles) की तरह कार्य कर सकते हैं। अधिकांश डिजाइनों में, शोधकर्ता प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित करने का प्रयास करते हैं, और उसे सूचना की एक अलग इकाई के रूप में देखते हैं। हालांकि, एक अलग रणनीति अपने पड़ोसियों के साथ स्थान बदलने की इलेक्ट्रॉनों की स्वाभाविक प्रवृत्ति का उपयोग करती है, जो 'एक्सचेंज इंटरैक्शन' (exchange interaction) नामक एक मौलिक बल द्वारा संचालित होती है। यह विधि उच्च सटीकता का मार्ग प्रदान करती है क्योंकि यह परस्पर क्रिया सरल और सुदृढ़ है, लेकिन इसके साथ एक चुनौती भी है: इलेक्ट्रॉनों को एक-एक करके नियंत्रित नहीं किया जा सकता है। इसके बजाय, उन्हें बड़े समूहों में एक साथ रखना होगा जो एक एकल, एकीकृत प्रणाली के रूप में व्यवहार करें। यह संभावनाओं का एक विशाल और जटिल परिदृश्य बनाता है, जो व्यक्तिगत इकाइयों को नियंत्रित करने की तुलना में बहुत बड़ा है, लेकिन यह सिस्टम को नेविगेट करना और मापना भी कठिन बना देता है।
HRL क्वांटम और माइक्रोसॉफ्ट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस दृष्टिकोण में महारत हासिल करने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। उन्होंने 48 इलेक्ट्रॉन स्पिन वाला एक उपकरण बनाया और प्रदर्शित किया कि वे इस पूरे समूह को अत्यधिक सटीकता के साथ संचालित कर सकते हैं, और इस पूरे संग्रह को एक एकल, विशाल क्वांटम प्रोसेसर के रूप में उपयोग कर सकते हैं। मानक बिट्स के रूप में तीन स्पिन के छोटे समूहों को अलग करने के बजाय, टीम ने पूरे सरणी (array) को ऐसी स्थिति में संचालित किया जहाँ पूरे समूह का कुल चुंबकीय स्पिन शून्य है। यह विशिष्ट विन्यास उन्हें संभावनाओं के ऐसे स्थान तक पहुँच प्रदान करता है जो 40 मानक बिट्स की क्षमता से भी अधिक बड़ा है, फिर भी वे इसे उन सामान्य त्रुटियों के बिना नियंत्रित करने में सफल रहे जो ऐसे बड़े सिस्टम में अक्सर देखी जाती हैं। उनका कार्य यह दर्शाता है कि पूरे सिस्टम की जटिलता को अपनाने से, न कि उससे लड़ने से, वे सटीकता का एक ऐसा स्तर प्राप्त कर सकते हैं जो अन्य अग्रणी क्वांटम तकनीकों से बेहतर है।
शोधकर्ताओं ने अपने सिस्टम का परीक्षण करने के लिए कठोर प्रयोगों की एक श्रृंखला का उपयोग किया, जिन्हें यह मापने के लिए डिज़ाइन किया गया था कि मशीन जटिल संचालन करते समय सूचना को कितनी अच्छी तरह सुरक्षित रखती है। उन्होंने यादृच्छिक स्पिन-स्वैपिंग (spin-swapping) इंटरैक्शन के अनुक्रमों को चलाकर शुरुआत की, जिसका अर्थ था इलेक्ट्रॉनों को उनके कनेक्शन को अप्रत्याशित तरीकों से बदलने के लिए कहना। यह देखने के लिए कि क्या मशीन सही ढंग से काम कर रही है, उन्होंने यह मापा कि इन बदलावों के बाद सिस्टम कितनी बार अपनी प्रारंभिक अवस्था में वापस आता है। उन्होंने पाया कि प्रत्येक स्वैप ऑपरेशन के लिए, सिस्टम के त्रुटि करने की संभावना अविश्वसनीय रूप से कम थी, लगभग 10,000 में से 3। यह त्रुटि दर अन्य प्रकार के क्वांटम कंप्यूटरों की तुलना में काफी कम है, जो आमतौर पर अपने बुनियादी ऑपरेशनों के लिए 1,000 में से 1 से अधिक की त्रुटि दर दिखाते हैं। यह परिणाम विशेष रूप से प्रभावशाली है क्योंकि यह केवल एक घटक के सैद्धांतिक प्रदर्शन को ही नहीं, बल्कि पूरे नियंत्रण अनुक्रम के शोर और खामियों को भी ध्यान में रखता है।
सूचना इस विशाल इलेक्ट्रॉन समूह के माध्यम से कैसे फैलती है, इसे समझने के लिए टीम ने 'आउट-ऑफ-टाइम-ऑर्डर कोरिलेटर' (out-of-time-order correlator) नामक एक अधिक उन्नत परीक्षण किया। इस प्रयोग में, उन्होंने सिस्टम के एक हिस्से में एक छोटा सा व्यवधान उत्पन्न किया और फिर देखा कि वह व्यवधान 48 स्पिनों के पूरे समूह में कैसे फैला। उन्होंने देखा कि सूचना एक जगह स्थिर नहीं रही; बल्कि, यह एक लहर-नुमा पैटर्न में पूरे उपकरण में फैल गई और बिखर गई। प्रक्रिया के अंत में विशिष्ट इलेक्ट्रॉन जोड़ों की स्थिति को मापकर, वे देख सके कि प्रारंभिक व्यवधान ने शेष प्रणाली को ठीक कैसे प्रभावित किया। उनके परिणाम एक आदर्श, शोर-मुक्त मशीन के कंप्यूटर सिमुलेशन से आश्चर्यजनक सटीकता के साथ मेल खाते हैं, जिससे पुष्टि हुई कि इलेक्ट्रॉन ठीक वैसे ही परस्पर क्रिया कर रहे थे जैसा कि भौतिकी के नियम भविष्यवाणी करते हैं, यहाँ तक कि इतनी बड़ी और जटिल व्यवस्था में भी।
टीम ने यह भी पता लगाया कि सिस्टम एक विशिष्ट प्रकार के चुंबकीय पदार्थ, जिसे 'हाइजेनबर्ग स्पिन चेन' (Heisenberg spin chain) कहा जाता है, का अनुकरण (simulate) करते समय कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने इलेक्ट्रॉनों को इस सामग्री में पाए जाने वाले इंटरैक्शन की नकल करने के लिए प्रोग्राम किया, और यह देखने के लिए पड़ोसियों के बीच संबंधों की ताकत को समायोजित किया कि सिस्टम कैसे प्रतिक्रिया करता है। उन्होंने श्रृंखला के माध्यम से आगे और पीछे यात्रा करने वाली तरंगों के स्पष्ट पैटर्न देखे, जो सिरों से टकराकर वापस आती हैं और एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप करती हैं। ये पैटर्न उनके द्वारा चुने गए सेटिंग्स के आधार पर अनुमानित तरीकों से बदले, जो यह प्रदर्शित करता है कि उपकरण जटिल भौतिक मॉडलों की गतिशीलता को पूरी निष्ठा के साथ पुनरुत्पादित कर सकता है। हालाँकि सिस्टम अभी इतना बड़ा नहीं है कि उन समस्याओं को हल कर सके जो शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं, लेकिन इन चुंबकीय इंटरैक्शन को इतनी उच्च सटीकता के साथ सिम्युलेट करने की क्षमता यह दर्शाती है कि यह तकनीक तेजी से परिपक्व हो रही है।
इस कार्य के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक सफलता को मापने के लिए उपयोग की गई विधि है। व्यक्तिगत गेटों या स्पिन के छोटे समूहों के प्रदर्शन को देखने के बजाय, शोधकर्ताओं ने संपूर्ण सिस्टम का मूल्यांकन एक इकाई के रूप में किया। उन्होंने 48 स्पिनों को अलग-अलग बिट्स के संग्रह के रूप में नहीं, बल्कि एक एकल, परस्पर जुड़े हुए अस्तित्व के रूप में माना। इस दृष्टिकोण ने उन्हें सिस्टम के उपलब्ध सभी राज्यों (states) का उपयोग करने की अनुमति दी, जिसमें वे राज्य भी शामिल हैं जिन्हें अन्य डिजाइनों में आमतौर पर त्रुटियां या "लीकेज" (leakage) माना जाता है। ऐसा करके, वे मशीन की वास्तविक क्षमताओं की कहीं अधिक सटीक तस्वीर निकालने में सक्षम हुए। डेटा से पता चला कि सिस्टम में त्रुटियां केवल यादृच्छिक गड़बड़ी नहीं हैं, बल्कि उनमें सुसंगत और अनुमानित पैटर्न भी शामिल हैं जिन्हें मॉडल और समझा जा सकता है। यह अंतर्दृष्टि भविष्य के सुधारों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह बेहतर नियंत्रण हार्डवेयर और अंशांकन (calibration) तकनीकों की ओर संकेत करती है।
शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि हालांकि उनका उपकरण असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन करता है, लेकिन यह अभी तक एक पूर्णतः दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) कंप्यूटर नहीं है जो बिना किसी त्रुटि के किसी भी एल्गोरिदम को चला सके। उनके द्वारा मापी गई त्रुटि दर, हालांकि कम है, फिर भी बहुत लंबी गणनाओं के दौरान जमा होती रहेगी, जिससे अंततः परिणाम प्रभावित होंगे। हालांकि, तथ्य यह है कि उन्होंने इस आकार के सिस्टम पर इतनी कम त्रुटियां प्राप्त की हैं, यह एक मजबूत संकेतक है कि 'एक्सचेंज-ओनली' दृष्टिकोण व्यवहार्य है। यह सुझाव देता है कि नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स में और सुधार तथा स्पिनों को पल्स देने के तरीके में बदलाव के साथ, त्रुटि दरों को और भी कम किया जा सकता है। टीम का कार्य इन प्रणालियों को बढ़ाने (scale up) के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, यह दिखाते हुए कि इलेक्ट्रॉनों के बड़े समूहों को नियंत्रित करने की चुनौतियाँ अपरिहार्य नहीं हैं।
क्वांटम कंप्यूटिंग के व्यापक संदर्भ में, यह अध्ययन व्यक्तिगत क्यूबिट्स को नियंत्रित करने की प्रमुख रणनीतियों के मुकाबले एक सम्मोहक विकल्प प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि कई कणों के सामूहिक व्यवहार के साथ काम करने में मूल्य है, भले ही इसका अर्थ उन्हें व्यक्तिगत रूप से संबोधित करने की क्षमता को छोड़ देना हो। इस प्रयोग में प्राप्त उच्च निष्ठा (fidelity) यह सुझाव देती है कि 'एक्सचेंज इंटरैक्शन' क्वांटम मशीनों के निर्माण के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। जैसे-जैसे यह क्षेत्र आगे बढ़ता है, इस 48-स्पिन सिस्टम से सीखे गए सबक संभवतः भविष्य के उपकरणों के डिजाइन और परीक्षण को प्रभावित करेंगे। इतने बड़े हिल्बर्ट स्पेस (Hilbert space) को उच्च सटीकता के साथ एक्सेस करने और नियंत्रित करने की क्षमता जटिल सामग्रियों के अनुकरण और कठिन समस्याओं को हल करने के नए अवसर खोलती है, जो एक व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर के दृष्टिकोण को वास्तविकता के एक कदम और करीब ले आती है।
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