Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation: Kilohertz Entanglement in a Heterogeneous Quantum System
यह शोध पत्र एक ट्रैप्ड बेरियम आयन और डायमंड में एक सिलिकॉन-वैकेंसी सेंटर को जोड़ने वाले एक हेटेरोजेनियस क्वांटम नेटवर्क का प्रदर्शन करता है, जो भविष्य के ट्रैप्ड-आयन प्रोसेसर्स के चक्र समय (साइकिल टाइम) से मेल खाने वाली उच्च निष्ठा (फिडेलिटी) के साथ किलोहर्ट्ज़-दर एंटैंगलमेंट प्राप्त करता है।
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एक ऐसा कंप्यूटर बनाना जो आज की मशीनों की पहुंच से परे की समस्याओं को हल कर सके, इसके लिए सूचना के बारे में हमारी सोच में एक मौलिक बदलाव की आवश्यकता है। शून्य या एक वाले बिट्स के बजाय, ये भविष्य की मशीनें क्वांटम बिट्स या 'क्यूबिट्स' का उपयोग करती हैं, जो एक ही समय में दोनों अवस्थाओं के एक नाजुक मिश्रण में रह सकते हैं। इन मशीनों को वास्तविक दुनिया की चुनौतियों से निपटने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को केवल एक चिप पर भरोसा नहीं करना चाहिए; उन्हें कई छोटे प्रोसेसरों को एक विशाल नेटवर्क में जोड़ना होगा। चुनौती यह है कि इन अलग-अलग मॉड्यूल को जोड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। कनेक्शन इतना तेज़ होना चाहिए कि क्वांटम सूचना को लुप्त होने से बचाया जा सके, और यह इतना सटीक होना चाहिए कि यह सुनिश्चित हो सके कि लिंक के दोनों छोर पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ (तुल्यकालिक) हैं। यदि कनेक्शन बहुत धीमा या बहुत त्रुटिपूर्ण है, तो गणना पूरी होने से पहले ही पूरा सिस्टम ढह जाएगा।
वर्षों से, शोधकर्ता प्रकाश का उपयोग करके इन अंतरालों को पाटने की कोशिश कर रहे हैं। फोटॉन, जो प्रकाश के कण हैं, सूचना के उत्कृष्ट वाहक हैं क्योंकि वे तेज़ चलते हैं और अपने परिवेश के साथ बहुत कम परस्पर क्रिया करते हैं। हालाँकि, एक प्रोसेसर से दूसरे प्रोसेसर तक फोटॉन भेजना एक तूफान में जुगनू को पकड़ने की कोशिश करने जैसा है; अधिकांश समय, गंतव्य तक पहुँचने से पहले ही प्रकाश खो जाता है। यह नुकसान वैज्ञानिकों को बार-बार प्रयास करने के लिए मजबूर करता है, जो पूरी प्रक्रिया को बहुत धीमा कर देता है। लक्ष्य हमेशा यह रहा है कि इस कनेक्शन को प्रति सेकंड हजारों बार किया जा सके, जो उस गति से मेल खाए जिस पर प्रोसेसर स्वयं कार्य करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें दो बहुत ही अलग प्रकार के क्वांटम सिस्टमों को अभूतपूर्व गति से सफलतापूर्वक जोड़ा गया है। उन्होंने एक अकेले परमाणु को, जिसे विद्युत क्षेत्रों द्वारा निर्वात (वैक्यूम) में कैद किया गया था, एक हीरे के क्रिस्टल के भीतर एक सूक्ष्म दोष (डिफेक्ट) के साथ जोड़ा। परमाणु एक प्रोसेसर के रूप में कार्य करता है, जबकि हीरे का वह दोष एक मेमोरी यूनिट के रूप में कार्य करता है। प्रकाश की एक किरण का उपयोग करके अंतराल को पाटने के बाद, टीम ने एक विशेष लिंक बनाने में सफलता प्राप्त की जिसे 'एंटैंगलमेंट' (उलझाव) कहा जाता है, जहाँ दो दूर स्थित वस्तुएं इतनी गहराई से जुड़ जाती हैं कि एक की स्थिति तुरंत दूसरी को प्रभावित करती है। उन्होंने इस लिंक को औसतन 1.03 हजार बार प्रति सेकंड की दर से प्राप्त किया, जो उन प्रोसेसरों के चक्र समय (साइकिल टाइम) से मेल खाता है जिन्हें वे भविष्य में जोड़ने की उम्मीद करते हैं।
इस प्रयोग में प्रकाश के एक एकल कण की सावधानीपूर्वक नियोजित यात्रा शामिल थी। इसकी शुरुआत बेरियम आयन से हुई, जो बेरियम का एक एकल परमाणु है, जिसे वैक्यूम चैंबर में रखा गया था। शोधकर्ताओं ने इस परमाणु को लेजर पल्स के साथ उत्तेजित किया, जिससे इसने एक फोटॉन उत्सर्जित किया। इस फोटॉन ने परमाणु की आंतरिक स्थिति के बारे में जानकारी वहन की, लेकिन यह अभी भी हीरे तक यात्रा करने के लिए तैयार नहीं था। फोटॉन को प्रकाश के एक अलग रंग में बदलना था और इसकी जानकारी को एक नए प्रारूप में फिर से लिखना था जिसे हीरा समझ सके। टीम ने फोटॉन का रंग बदलने के लिए एक विशेष क्रिस्टल का उपयोग किया और इसकी जानकारी के स्वरूप को बदलने के लिए एक अन्य उपकरण का उपयोग किया, जिससे इसे ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) पर आधारित सिग्नल से बदलकर समय (टाइमिंग) पर आधारित सिग्नल में परिवर्तित कर दिया गया।
एक बार जब फोटॉन तैयार हो गया, तो यह ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से एक हीरे के चिप के माध्यम से यात्रा किया, जिसे परम शून्य तापमान से ठीक ऊपर ठंडा किया गया था। इस चिप के भीतर एक सिलिकॉन-वैकेंसी सेंटर था, जो एक विशिष्ट प्रकार का दोष है जहाँ एक सिलिकॉन परमाणु उस स्थान पर बैठता है जहाँ सामान्यतः कार्बन परमाणु होता है। यह दोष एक क्वांटम मेमोरी के रूप में कार्य करता है। जब फोटॉन पहुँचा, तो इसने सिलिकॉन दोष के इलेक्ट्रॉन स्पिन के साथ परस्पर क्रिया की। यदि फोटॉन को डायमंड कैविटी द्वारा परावर्तित किया गया, तो इसका मतलब था कि परस्पर क्रिया हुई थी, और दोनों सिस्टम अब एंटैंगल्ड थे। इस एकल परावर्तित फोटॉन का पता लगाना एक संकेत, या 'हेराल्ड' के रूप में कार्य करता था, जो पुष्टि करता था कि कनेक्शन सफलतापूर्वक बन गया है।
शोधकर्ताओं ने इस कनेक्शन की गुणवत्ता को मापा और पाया कि यह उल्लेखनीय रूप से उच्च थी। उनके द्वारा उत्पन्न एंटैंगल्ड जोड़े 88 प्रतिशत बार सही थे। सटीकता का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि यह लिंक भविष्य के क्वांटम नेटवर्क में उपयोग के लिए विश्वसनीय है। 1.03 हजार कनेक्शन प्रति सेकंड की गति दो ट्रैप्ड आयनों को जोड़ने के पिछले रिकॉर्ड से चार गुना तेज़ है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह दर एक मिलीसेकंड में एक सफल कनेक्शन के बराबर है, जो उसी गति के समान है जिस पर भविष्य के आयन-आधारित प्रोसेसर संचालित होंगे। यह सिंक्रोनाइज़ेशन अत्यंत महत्वपूर्ण है; यदि नेटवर्क प्रोसेसर से धीमा है, तो कंप्यूटर गणना करने के बजाय अपना अधिकांश समय डेटा की प्रतीक्षा करने में बिता देगा।
इस प्रयोग की सफलता दो अलग-अलग तकनीकों की शक्तियों को मिलाने पर टिकी थी। ट्रैप्ड आयन फोटॉन को तेज़ी से उत्सर्जित करने में उत्कृष्ट है, लेकिन उन फोटॉन को कुशलतापूर्वक एकत्र करना कठिन है। दूसरी ओर, डायमंड मेमोरी फोटॉन के साथ परस्पर क्रिया करने में बहुत अच्छी है, लेकिन यह अपने आप उन्हें उत्पन्न करने में संघर्ष करती है। इन दोनों को जोड़कर, टीम ने एक हाइब्रिड सिस्टम बनाया जहाँ आयन गति प्रदान करता है और हीरा दक्षता प्रदान करता है। उन्होंने उन ट्रेड-ऑफ्स (समझौतों) को दूर किया जो आमतौर पर होते हैं, एक ऐसा सेटअप बनाकर जिसने उन्हें वैक्यूम चैंबर के भीतर जटिल ऑप्टिक्स रखे बिना आयन से प्रकाश एकत्र करने और फिर उच्च सटीकता के साथ डायमंड मेमोरी से उसे परावर्तित करने की अनुमति दी।
हालाँकि परिणाम प्रभावशाली हैं, शोधकर्ता स्पष्ट हैं कि यह अंतिम मंजिल नहीं है। वर्तमान प्रणाली में अभी भी कुछ फोटॉन रास्ते में खो जाते हैं, और कनेक्शन की शुद्धता (फिडेलिटी) अभी भी पूर्ण नहीं है। टीम ने त्रुटियों के विशिष्ट स्रोतों की पहचान की है, जैसे कि फिल्टर के माध्यम से प्रकाश का रिसाव होना या कनेक्शन की पुष्टि होने से पहले मेमोरी का अपनी स्थिति खो देना। उनका मानना है कि प्रकाश के संग्रह में सुधार करके, रूपांतरण प्रक्रिया को परिष्कृत करके और बेहतर डिटेक्टरों का उपयोग करके, वे गति को और भी अधिक बढ़ा सकते हैं, जो संभावित रूप से पांच हजार कनेक्शन प्रति सेकंड या उससे अधिक की दर तक पहुँच सकती है।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक ऐसा क्वांटम नेटवर्क बनाना संभव है जो उन प्रोसेसरों की गति से काम करता है जिन्हें वह जोड़ता है। यह सिद्ध करता है कि विषम प्रणालियाँ (हेटरोजीनियस सिस्टम), जो विभिन्न प्रकार के क्वांटम हार्डवेयर को मिलाती हैं, प्रभावी ढंग से मिलकर काम कर सकती हैं। जैसे-जैसे शोधकर्ता आगे देख रहे हैं, वे कई ऐसे मॉड्यूल को जोड़ने के लिए एक पथ देखते हैं ताकि एक बड़े पैमाने का क्वांटम कंप्यूटर बनाया जा सके। यह आर्किटेक्चर क्वांटम नेटवर्कों में एंटैंगलमेंट को वितरित करने में सक्षम होगा, जिससे प्रोसेसर जटिल एल्गोरिदम पर मिलकर काम कर सकेंगे। एक कमजोर सिग्नल से शक्तिशाली प्रोसेसर में क्वांटम अवस्थाओं को टेलीपोर्ट करने की क्षमता सेंसिंग और संचार के नए द्वार भी खोल सकती है। यह प्रयोग एक ठोस प्रमाण है कि धीमे, संभाव्य (प्रोबेबिलिस्टिक) कनेक्शनों की बाधा को दूर किया जा सकता है, जो वितरित क्वांटम इंटरनेट के दृष्टिकोण को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।
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