Electric-dipole-induced nuclear electric resonance in silicon

आज के कंप्यूटरों की पहुंच से कहीं आगे जाकर समस्याओं को हल करने में सक्षम मशीन बनाने की खोज में, वैज्ञानिक प्रकृति के सबसे छोटे निर्माण खंडों की ओर मुड़ रहे हैं: स्वयं परमाणुओं की ओर। इन परमाणुओं के भीतर, इलेक्ट्रॉन और नाभिक जैसे सूक्ष्म कण "स्पिन" नामक एक गुण रखते हैं, जिसे एक सूक्ष्म दिशा-सूचक सुई के रूप में देखा जा सकता है जो या तो ऊपर या नीचे की ओर इशारा करती है। इन स्पिनों को नियंत्रित करके, शोधकर्ता क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits) बना सकते हैं, जो क्वांटम सूचना की मौलिक इकाइयाँ हैं। इन क्यूबिट्स के विभिन्न उम्मीदवारों में से, सिलिकॉन चिप में अंतर्निहित फॉस्फोरस परमाणु का नाभिक एक विशेष रूप से आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरा है। इसका स्पिन उल्लेखनीय रूप से स्थिर है, जो जानकारी को बिना मिटे लंबे समय तक बनाए रखने में सक्षम है, जिसे 'कोहेरेंस' (coherence) कहा जाता है। हालाँकि, इसमें एक बड़ी बाधा है: जबकि ये नाभिकीय स्पिन जानकारी को याद रखने में उत्कृष्ट हैं, उन्हें तेजी से नियंत्रित करना बहुत कठिन है। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों ने इन स्पिनों को पलटने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग किया है, जो एक ऐसी विधि है जो सटीक तो है लेकिन धीमी है, ठीक वैसे ही जैसे एक छोटे रिंच से एक भारी, सख्त वाल्व को घुमाने की कोशिश करना। क्वांटम कंप्यूटरों को व्यावहारिक बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन स्पिनों को एक विद्युत स्विच की गति और सटीकता के साथ नियंत्रित करने का तरीका चाहिए।

साउदर्न यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी, शेनझेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस गति की सीमा को पार करने के लिए एक नई सैद्धांतिक विधि प्रस्तावित की है, जो केवल बिजली का उपयोग करके फॉस्फोरस परमाणु के नाभिकीय स्पिन को नियंत्रित करने का एक तरीका प्रदान करती है। उनका कार्य एक विशिष्ट सेटअप पर केंद्रित है जहाँ एक एकल फॉस्फोरस परमाणु को सिलिकॉन सतह पर इलेक्ट्रॉनों के एक छोटे जाल, जिसे क्वांटम डॉट कहा जाता है, के पास रखा गया है। इस व्यवस्था में, इलेक्ट्रॉन और नाभिक 'हाइपरफाइन इंटरैक्शन' नामक एक सूक्ष्म बल द्वारा जुड़े हुए हैं, जो उन्हें एक-दूसरे को प्रभावित करने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक सावधानीपूर्वक ट्यून किए गए विद्युत क्षेत्र को लागू करके, वे इस लिंक को संशोधित कर सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉन का उपयोग नाभिक तक सीधे विद्युत ऊर्जा स्थानांतरित करने के लिए एक सेतु के रूप में किया जा सकता है। यह प्रक्रिया, जिसे वे 'इलेक्ट्रिक-डाइपोल-इंड्यूस्ड न्यूक्लियर इलेक्ट्रिक रेजोनेंस' कहते हैं, नाभिकीय स्पिन को पारंपरिक चुंबकीय विधियों की तुलना में हजारों गुना तेजी से पलटने की अनुमति देती है।

यह तंत्र इलेक्ट्रॉन की स्थिति और उसके स्पिन से जुड़ी एक चतुर दो-चरणीय प्रक्रिया पर निर्भर करता है। उनके प्रस्तावित सिस्टम में, एक दोलन करने वाला (oscillating) विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉन को फॉस्फोरस परमाणु और पास के क्वांटम डॉट के बीच आगे-पीछे धकेलता है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन चलता है, नाभिक के साथ उसकी अंतःक्रिया बदलती है, और चूंकि इलेक्ट्रॉन भी एक विशिष्ट चुंबकीय क्षेत्र प्रवणता (gradient) के प्रति संवेदनशील होता है, इसलिए यह गति विद्युत ऊर्जा के नाभिकीय स्पिन तक पहुँचने के लिए एक मार्ग बनाती है। शोधकर्ताओं ने गणना की है कि यह दृष्टिकोण 39 MHz तक की आवृत्ति के साथ एक नियंत्रण संकेत उत्पन्न कर सकता है। इसे समझने के लिए, मानक चुंबकीय तकनीकें आमतौर पर लगभग 30 kHz की आवृत्तियों पर काम करती हैं, और नाभिक के अपने विद्युत आकार का उपयोग करने वाली विधियाँ और भी धीमी, लगभग 1 kHz पर होती हैं। इसका अर्थ है कि यह नई विधि केवल एक मामूली सुधार नहीं है; यह गति में एक विशाल छलांग है, जो क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक जटिल गणनाओं के तीव्र निष्पादन की अनुमति दे सकती है।

हालाँकि, गति अक्सर स्थिरता की कीमत पर आती है। विद्युत नियंत्रण आम तौर पर चुंबकीय नियंत्रण की तुलना में आसपास के वातावरण से होने वाले शोर के प्रति अधिक संवेदनशील होता है, जिससे क्यूबिट अपनी जानकारी खो सकता है। शोधकर्ताओं ने इस चिंता का समाधान करने के लिए विद्युत क्षेत्र में विशिष्ट "स्वीट स्पॉट्स" (sweet spots) की पहचान की है जहाँ सिस्टम स्वाभाविक रूप से विद्युत शोर के प्रति प्रतिरोधी हो जाता है। इन सटीक बिंदुओं में से एक पर डिवाइस को संचालित करके, उन्होंने पाया कि नाभिकीय स्पिन महत्वपूर्ण जानकारी खोने से पहले 100 से अधिक तीव्र फ्लिपिंग चक्रों से गुजर सकता है। उच्च गति और उच्च स्थिरता के बीच यह संतुलन महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि यह विधि विश्वसनीय क्वांटम गेट्स के लिए आवश्यक उच्च-सटीकता (high-fidelity) वाले संचालन का समर्थन कर सकती है। यह अध्ययन, जो भौतिक प्रयोगों के बजाय विस्तृत सैद्धांतिक गणनाओं और सिमुलेशन पर आधारित है, यह प्रदर्शित करता है कि वर्तमान सिलिकॉन तकनीक की सीमाओं के भीतर ऐसा सिस्टम भौतिक रूप से संभव है।

इस खोज के निहितार्थ केवल एक परमाणु तक सीमित नहीं हैं। यदि इस विधि को एक भौतिक उपकरण में साकार किया जा सकता है, तो यह सिलिकॉन पर आधारित स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करेगा, जो उसी सामग्री का उपयोग करते हैं जिसका उपयोग हमारे आधुनिक विश्व को संचालित करने वाले अरबों चिप्स में किया जाता है। नाभिकीय स्पिन को पूरी तरह से बिजली से नियंत्रित करने की क्षमता का अर्थ है कि इन क्यूबिट्स को जटिल, भारी चुंबकीय वायरिंग की आवश्यकता के बिना व्यक्तिगत रूप से संबोधित किया जा सकता है, जिससे पड़ोसी बिट्स के बीच हस्तक्षेप का जोखिम कम हो जाता है। हालांकि यह कार्य एक सैद्धांतिक प्रस्ताव बना हुआ है, यह भविष्य की ओर एक स्पष्ट मार्ग रेखांकित करता है जहाँ सिलिकॉन-आधारित उपकरणों के स्थिर, दीर्घजीवी नाभिकीय स्पिनों को इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग की गति और लचीलेपन के साथ उपयोग किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण सुझाव देता है कि धीमी नाभिकीय स्पिन नियंत्रण की लंबे समय से चली आ रही चुनौती का अंततः एक व्यवहार्य समाधान मिल सकता है, जो बड़े पैमाने पर, दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटिंग के सपने को वास्तविकता के करीब लाता है।