High-Fidelity Inter-Species Rydberg Gates with Two-Photon Driving
यह शोध पत्र एक ऐसा मॉडल प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करता है कि अनुकूलित गेट डिज़ाइन के माध्यम से ड्यूल-स्पीशीज़ न्यूट्रल एटम सिस्टम में लेजर क्रॉसटॉक को प्रभावी ढंग से दबाया जा सकता है, जिससे रूढ़िवादी प्रयोगात्मक मापदंडों के साथ 99.8% से अधिक उच्च-फिडेलिटी इंटर-स्पीशीज़ रिडबर्ग गेट सक्षम होते हैं।
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आज के कंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाली मशीन बनाने की दौड़ में, वैज्ञानिकों ने प्रकृति के सबसे छोटे निर्माण खंडों की ओर रुख किया है: व्यक्तिगत परमाणु। प्रकाश के ग्रिड में इन परमाणुओं को फंसाकर, शोधकर्ता इनका उपयोग सूचना की बुनियादी इकाइयों के रूप में कर सकते हैं, जिन्हें क्वबिट्स (qubits) कहा जाता है। इन परमाणुओं को एक-दूसरे से बात करने और गणना करने के लिए, वैज्ञानिक उन्हें उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं में उत्तेजित करते हैं जहाँ वे अपने पड़ोसियों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हो जाते हैं, जिसे 'रिडबर्ग अवस्था' (Rydberg state) कहा जाता है। यह संवेदनशीलता एक परमाणु को तुरंत दूसरे को प्रभावित करने की अनुमति देती है, जिससे जटिल कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक एंटैंगलमेंट (entanglement) पैदा होता है। हालाँकि, जैसे-जैसे ये सिस्टम बड़े और अधिक शक्तिशाली होते जाते हैं, एक नई चुनौती उत्पन्न होती है: एक ही मशीन के भीतर विभिन्न प्रकार के परमाणुओं को एक-दूसरे में हस्तक्षेप किए बिना कैसे नियंत्रित किया जाए। यह विशेष रूप से तब कठिन होता है जब एक ही तत्व के दो अलग-अलग संस्करणों, या आइसोटोप का उपयोग किया जा रहा हो, क्योंकि उनके ऊर्जा स्तर इतने समान होते हैं कि एक के लिए लक्षित लेजर अनजाने में दूसरे को प्रभावित कर सकता है।
द ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने रुबिडियम के दो अलग-अलग आइसोटोप, जिन्हें 85Rb और 87Rb के रूप में जाना जाता है, के बीच एक नया क्वांटम गेट संचालित करने का तरीका डिजाइन करके इस विशिष्ट समस्या का समाधान किया है। अपने कार्य में, उन्होंने एक नया मॉडल बनाया जो उस अनिवार्य "क्रॉसटॉक" (crosstalk) को ध्यान में रखता है जो तब होता है जब एक आइसोटोप के लिए लक्षित लेजर दूसरे पर प्रभाव डालता है। लेजर या परमाणुओं को खत्म करने के बजाय, उन्होंने लेजर स्पंदों (pulches) का एक सटीक क्रम डिजाइन किया जो दोनों परमाणुओं को आवश्यक ऊर्जा परिवर्तनों के माध्यम से निर्देशित करता है और साथ ही अवांछित हस्तक्षेप को रद्द कर देता है। परिणाम एक ऐसी विधि है जो इन दो अलग-अलग आइसोटोप को 99.8 प्रतिशत से अधिक की फिडेलिटी (fidelity), या सटीकता के साथ एक उच्च-गति, दो-क्वबिट लॉजिक ऑपरेशन करने की अनुमति देती है। सटीकता का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह क्वांटम एरर करेक्शन (quantum error correction) के लिए आवश्यक सीमा से ऊपर है, जो एक सुरक्षा जाल है जो कंप्यूटर को चलते समय अपनी गलतियों को ठीक करने की अनुमति देता है।
मुख्य चुनौती इस तथ्य में निहित है कि 85Rb और 87Rb व्यवहार में लगभग समान हैं, जिससे एक को दूसरे को प्रभावित किए बिना लक्षित करना कठिन हो जाता है। शोधकर्ताओं ने परमाणुओं को उनकी विश्राम अवस्था से उच्च-ऊर्जा रिडबर्ग अवस्था तक ले जाने के लिए दो-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग किया। उन्होंने एक वैश्विक रेड लेजर और एक ब्लू लेजर का उपयोग किया जिसमें दो थोड़े अलग आवृत्तियाँ थीं, जिनमें से एक प्रत्येक आइसोटोप के लिए ट्यून की गई थी। क्योंकि लेजर दोनों परमाणुओं को एक साथ कवर करते हैं, इसलिए पहले आइसोटोप के लिए निर्धारित आवृत्ति दूसरे के लिए बैकग्राउंड नॉइज़ (background noise) के रूप में कार्य करती है, और इसके विपरीत भी। पिछले प्रयोगों में, इस शोर ने ऑपरेशन की सटीकता को सीमित कर दिया था। अध्ययन के लेखकों ने दिखाया कि लेजर स्पंदों के समय और चरण (phase) को सावधानीपूर्वक आकार देकर, वे इस शोर के प्रभाव को इतने कम स्तर तक दबा सकते हैं कि यह नगण्य हो जाता है। उन्होंने यह हासिल किया क्योंकि उन्होंने लेजर नियंत्रण को एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच के रूप में नहीं, बल्कि एक गतिशील तरंग के रूप में माना जो समय के साथ विकसित होती है, जिसमें प्रत्येक आइसोटोप को नियंत्रण का एक थोड़ा अलग लय प्राप्त होता है।
विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने प्रदर्शित किया कि यह दृष्टिकोण तब भी काम करता है जब परमाणु लगभग रेजोनेंट (resonant) होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी ऊर्जा स्तर आपस में ओवरलैप होने के बेहद करीब होते हैं। उन्होंने पाया कि लेजर आवृत्तियों और स्पंद के समय को समायोजित करके, वे एक ऐसा गेट बना सकते हैं जो केवल 0.135 माइक्रोसेकंड में संचालित होता है। यह पुराने तरीकों की तुलना में काफी तेज है, जो अधिक समय लेते थे और परमाणुओं द्वारा ऊर्जा खोने या वातावरण से भ्रमित होने के कारण होने वाली त्रुटियों के प्रति अधिक संवेदनशील थे। सिमुलेशन से पता चला कि इस नए डिजाइन में त्रुटि का प्राथमिक स्रोत आइसोटोप के बीच क्रॉसटॉक नहीं है, बल्कि वह संक्षिप्त समय है जो परमाणु अंतिम रिडबर्ग अवस्था तक पहुँचने से पहले एक मध्यवर्ती ऊर्जा अवस्था में बिताते हैं। इस सीमा के बावजूद, सिस्टम ने 0.9982 की फिडेलिटी प्राप्त की, जो एक संख्या है जो इसे व्यावहारिक, फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटिंग की श्रेणी में मजबूती से रखती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि इस प्रदर्शन में और सुधार कैसे किया जा सकता है। उन्होंने उल्लेख किया कि यदि लेजर अधिक शक्तिशाली बनाए जाएं और परमाणुओं को मध्यवर्ती ऊर्जा अवस्था से दूर रखा जाए, तो गेट 90 नैनोसेकंड से कम समय में 99.9 प्रतिशत की फिडेलिटी तक पहुँच सकता है। यह सुझाव देता है कि वर्तमान सीमाएँ डिजाइन के मौलिक दोष नहीं हैं, बल्कि सिमुलेशन में उपयोग किए गए विशिष्ट प्रयोगात्मक मापदंडों की बाधाएं हैं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि एक ही तत्व के दो आइसोटोप का उपयोग करना अधिक जटिल क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति है, जो हार्डवेयर को सरल बनाने और ऑप्टिकल उपकरणों को साझा करने का एक तरीका प्रदान करता है, जबकि त्रुटि सुधार के लिए आवश्यक उच्च स्तर के नियंत्रण को भी बनाए रखता है। जटिल हार्डवेयर के माध्यम से क्रॉसटॉक से बचने के बजाय चतुर पल्स डिजाइन के माध्यम से इसे प्रबंधित किया जा सकता है, यह सिद्ध करके, यह कार्य न्यूट्रल एटम क्वांटम प्रोसेसर के अगले युग के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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