Avoiding Defects within Heavy-Hexagon Architecture
यह शोध पत्र एक दोष-परिहार योजना (defect-avoidance scheme) का प्रस्ताव और प्रयोगात्मक रूप से सत्यापन करता है जो कम-कनेक्टिविटी वाले हेवी-हेक्सागन आर्किटेक्चर के लिए विशेष रूप से तैयार की गई है, जो गेज मापन (gauge measurements) को चार के बजाय केवल दो चक्रों में पूरा करके वास्तविक IBM क्वांटम हार्डवेयर पर प्रति चक्र तार्किक त्रुटि दरों को लगभग 10% तक कम कर देती है।
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क्वांटम कंप्यूटर उन समस्याओं को हल करने का वादा रखते हैं जो वर्तमान में सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटरों के लिए भी असंभव हैं, जैसे कि नई दवाओं को डिजाइन करना या जटिल एन्क्रिप्शन को तोड़ना। हालाँकि, इन मशीनों के निर्माण खंड, जिन्हें क्यूबिट्स (qubits) कहा जाता है, अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। वे अपने परिवेश के प्रति इतने संवेदनशील होते हैं कि मामूली सी हलचल भी उन्हें अपनी जानकारी खोने के लिए मजबूर कर सकती है, जिसे त्रुटि (error) कहा जाता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक क्वांटम एरर करेक्शन (quantum error correction) नामक विधि का उपयोग करते हैं। एक एकल क्यूबिट पर जानकारी रखने के बजाय, वे उस जानकारी को कई भौतिक क्यूबिट्स में फैला देते हैं, जिससे एक बड़ा, अधिक स्थिर "लॉजिकल" क्यूबिट बनता है। यह प्रणाली गलतियों को पकड़ने के लिए लगातार खुद की जांच करती है, ठीक वैसे ही जैसे संपादकों की एक टीम दस्तावेज़ की प्रूफरीडिंग करती है ताकि टाइपो (typos) को स्थायी होने से पहले पकड़ा जा सके।
चुनौती यह है कि इन कंप्यूटरों को बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला हार्डवेयर दोषपूर्ण है। निर्माण प्रक्रिया के दौरान, कुछ क्यूबिट्स या उनके बीच के कनेक्शन दोषपूर्ण हो सकते हैं। एक मानक सेटअप में, ये खामियां एक शहर के ग्रिड में टूटी हुई सड़क की तरह काम करती हैं, जो यातायात को रोक देती हैं और त्रुटि-जांच प्रणाली को ठीक से कार्य करने में असमर्थ बना देती हैं। यदि एक घटक दोषपूर्ण है, तो यह पूरे लॉजिकल क्यूबिट को विफल कर सकता है, जिससे कंप्यूटर बेकार हो जाता है। वर्षों से, शोधकर्ता इन त्रुटि-सुधार प्रणालियों को सुचारू रूप से चलाने का तरीका खोजने के लिए संघर्ष कर रहे थे, खासकर नए चिप डिजाइनों पर जो अधिक सघन (compact) हैं लेकिन घटकों के बीच कम कनेक्शन रखते हैं।
हनयांग यूनिवर्सिटी, दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं ने 'हैवी-हेक्सागन आर्किटेक्चर' (heavy-hexagon architecture) नामक चिप डिजाइन के लिए विशेष रूप से इन टूटे हुए हिस्सों को संभालने की एक नई रणनीति विकसित की है। यह डिजाइन, जिसका उपयोग प्रमुख क्वांटम हार्डवेयर कंपनियों द्वारा किया जाता है, कुशल है लेकिन इसकी एक अनूठी सीमा है: प्रत्येक क्यूबिट केवल दो या तीन पड़ोसियों से जुड़ा होता है, न कि पुराने, अधिक विस्तृत डिजाइनों में पाए जाने वाले चार कनेक्शनों की तरह। यह कम कनेक्टिविटी दोष के आसपास काम करना कठिन बना देती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि त्रुटि-जांच संकेतों को मापने के तरीके को पुनर्व्यवस्थित करके, वे पूरे सिस्टम को फिर से बनाए बिना प्रभावी रूप से दोषपूर्ण घटकों को बायपास कर सकते हैं। उनका दृष्टिकोण कंप्यूटर को दोषपूर्ण हिस्सों को अनदेखा करने और काम जारी रखने की अनुमति देता है, जो कि इन विशिष्ट चिप्स पर पहले बहुत कठिन माना जाता था।
इस सफलता को समझने के लिए, सबसे पहले यह देखना होगा कि ये कंप्यूटर आमतौर पर कैसे काम करते हैं। एक मानक त्रुटि-सुमान्य कोड (error-correcting code) में, प्रणाली क्यूबिट्स के समूहों को मापती है ताकि यह देखा जा सके कि वे एक-दूसरे से सहमत हैं या नहीं। यदि एक क्यूबिट दोषपूर्ण है, तो वह गलत सूचनाओं की एक निरंतर धारा भेजता है, जिससे प्रणाली भ्रमित हो जाती है और यह पहचानना असंभव हो जाता है कि वास्तविक त्रुटियां कहां हो रही हैं। दोषों को ठीक करने के पिछले तरीकों में "सुपर-स्टेबलाइजर्स" (super-stabilizers) बनाना शामिल था, जो क्यूबिट्स के बड़े समूह हैं जो दोषपूर्ण हिस्से के चारों ओर विलीन होकर उसे अलग करते हैं। हालांकि, ये पुराने तरीके अधिक कनेक्शन वाले चिप्स के लिए डिज़ाइन किए गए थे और आवश्यक जानकारी को मापने के लिए चार अलग-अलग चरणों की आवश्यकता होती थी। हैवी-हेक्सागन चिप्स पर, जिनमें कम कनेक्शन हैं, यह चार-चरणीय प्रक्रिया बहुत धीमी और जटिल थी।
हनयांग यूनिवर्सिटी की टीम ने इस प्रक्रिया को काफी सरल बनाने का तरीका खोज लिया। दोष के आसपास की जानकारी को मापने के लिए चार चरणों के बजाय, उन्होंने इसे केवल दो चरणों में करने का तरीका निकाला। उन्होंने हैवी-हेक्सागन चिप के विशिष्ट लेआउट का लाभ उठाकर इसे हासिल किया। इस लेआउट में अतिरिक्त क्यूबिट्स शामिल हैं जो मूल रूप से अन्य उद्देश्यों के लिए थे, लेकिन शोधकर्ताओं ने उन्हें अस्थायी संदेशवाहकों के रूप में काम करने के लिए पुन: उपयोग किया। ये अतिरिक्त क्यूबिट्स माप संकेतों को टूटे हुए क्षेत्रों के पार ले जाने में मदद करते हैं, जिससे सिस्टम आवश्यक डेटा तेजी से एकत्र कर पाता है। ऐसा करके, वे एक नया, बड़ा त्रुटि-जांच समूह बना सकते हैं जो दोषपूर्ण क्यूबिट को पूरी तरह से छोड़ देता है, प्रभावी रूप से टूटे हुए हिस्से को ऐसे व्यवहार करता है जैसे कि वह वहां है ही नहीं।
शोधकर्ताओं ने एक वास्तविक क्वांटम कंप्यूटर पर इस सिद्धांत का परीक्षण किया जो IBM द्वारा प्रदान किया गया था, विशेष रूप रूप से एक मॉडल जिसे ibm_boston कहा जाता है, जिसमें 156 क्यूबिट्स हैवी-हेक्सागन पैटर्न में व्यवस्थित हैं। उन्होंने चिप पर एक विशिष्ट क्यूबिट की पहचान की जो स्थायी रूप से दोषपूर्ण था, जो मशीन को ट्यून करने के बावजूद लगातार उच्च त्रुटि दर दिखा रहा था। इसके बाद उन्होंने दो अलग-अलग प्रयोग चलाए: एक जहां त्रुटि-सुधार प्रणाली टूटे हुए क्यूबिट के बावजूद सामान्य रूप से काम करने की कोशिश करती है, और दूसरा जहां उन्होंने अपने नए दोष-परिहार (defect-avoidance) तरीके का उपयोग करके उसके चारों ओर रास्ता बनाने के लिए किया। परिणाम स्पष्ट थे। जब सिस्टम ने अपने नए तरीके का उपयोग करके टूटे हुए हिस्से के चारों ओर काम करने की कोशिश की, तो लॉजिकल त्रुटों की दर प्रति चक्र लगभग 10 प्रतिशत कम हो गई।
यह कमी महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि त्रुटि-सुधार प्रणाली हार्डवेयर में खामी होने पर भी मूल्यवान जानकारी प्राप्त कर सकती है। बिना सुधार वाले प्रयोग में, दोषपूर्ण क्यूबिट ने आसपास की जांच को यादृच्छिक (random) और बेकार बना दिया, जिससे कंप्यूटर अपनी ही त्रुटियों को पहचानने में अंधा हो गया। नए तरीके के साथ, सिस्टम वास्तविक गलतियों और रैंडम शोर के बीच अंतर करने की अपनी क्षमता को पुनः प्राप्त करने में सफल रहा। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि यह विधि विभिन्न प्रकार की त्रुटियों के लिए अच्छी तरह से काम करती है, हालांकि चिप के विशिष्ट आकार के कारण यह एक प्रकार की त्रुटि को दूसरे की तुलना में सुधारने में थोड़ी अधिक प्रभावी थी।
अध्ययन ने हार्डवेयर की वर्तमान स्थिति को जानने के महत्व पर भी प्रकाश डाला। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि मशीन को पुन: कैलिब्रेट (recalibrate) करने के साथ क्यूबिट की गुणवत्ता समय के साथ बदल सकती है। एक क्यूबिट जो एक सप्ताह में दोषपूर्ण है, वह अगले सप्ताह सुधर सकता है, और इसे तब तक टालते रहना जब तक कि यह अब टूटा हुआ न हो, अनावश्यक जटिलता और नई त्रुटियां पैदा कर सकता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर गतिशील होंगे, जो लगातार अपने स्वास्थ्य को स्कैन करेंगे और मशीन की वर्तमान स्थिति के अनुरूप अपनी त्रुटि-सुधार रणनीतियों को वास्तविक समय में समायोजित करेंगे।
दोषों को इन अत्यधिक जुड़े हुए लेकिन भौतिक रूप से सीमित चिप्स पर सफलतापूर्वक प्रबंधित किया जा सकता है, यह प्रदर्शित करके, शोधकर्ताओं ने क्वांटम कंप्यूटरों को बड़े पैमाने पर बनाने की दिशा में एक बड़ी बाधा को दूर कर दिया है। उनका कार्य दिखाता है कि अपूर्ण हार्डवेयर के साथ भी, माप प्रक्रिया को चतुराई से पुनर्व्यवस्थित करके विश्वसनीय लॉजिकल क्यूबिट्स बनाए जा सकते हैं। यह खोज बड़े पैमाने पर, फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटिंग के लक्ष्य को वास्तविकता के एक कदम करीब लाती है, यह सिद्ध करती है कि आगे का रास्ता पूर्ण चिप्स की आवश्यकता नहीं है, बल्कि दोषपूर्ण चिप्स के साथ काम करने के स्मार्ट तरीकों की आवश्यकता है।
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