Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, जो शास्त्रीय मशीनों की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सकें, वैज्ञानिक एक निरंतर शत्रु का सामना कर रहे हैं: शोर (noise)। क्वांटम सूचना अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती है, जो अपने वातावरण में मामूली कंपन या उतार-चढ़ाव से भी आसानी से बिखर सकती है। इस नाजुक डेटा को सुरक्षित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'एरर करेक्शन' (त्रुटि सुधार) नामक एक रणनीति विकसित की है। भौतिक घटकों को पूर्ण बनाने की कोशिश करने के बजाय, वे सूचना के एक एकल टुकड़े को, जिसे 'लॉजिकल क्यूबिट' कहा जाता है, कई भौतिक घटकों में फैला देते हैं। यदि एक हिस्सा विफल हो जाता है, तो सिस्टम त्रुटि का पता लगा सकता है और सूचना को नष्ट किए बिना उसे ठीक कर सकता है। एक आशाजनक दृष्टिकोण माइक्रोवेव कैविटी के भीतर फंसी हुई रोशनी का उपयोग करता है, जो कैविटी के भीतर उछलने वाले फोटॉन, या प्रकाश के कणों, में डेटा संग्रहीत करता है। यह जांचने के लिए कि क्या डेटा अभी भी सुरक्षित है, सिस्टम को एक सहायक की आवश्यकता होती है, जो एक छोटा क्वांटम उपकरण है जिसे 'एंसिला' (ancilla) कहा जाता है, जो प्रकाश को सीधे छुए बिना उसकी अवस्था को पढ़ने के लिए एक सेंसर के रूप में कार्य करता है।

वर्षों से, इंजीनियरों ने एक विशिष्ट प्रकार के सहायक पर भरोसा किया है, जो एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट है जिसे 'ट्रांसमोन' (transmon) के रूप में जाना जाता है, जिसे इस तरह ट्यून किया गया है कि इसके ऊर्जा स्तर प्रकाश के साथ बहुत सटीक रूप से मेल खाते हैं। इस मिलान को एक आदर्श ढाल माना जाता था। सिद्धांत यह था कि यदि सहायक कोई गलती करता है और निम्न ऊर्जा अवस्था में गिर जाता है, तो सिस्टम को तुरंत पता चल जाएगा और वह इसे ठीक कर सकेगा, या कुछ खतरनाक गलतियाँ सिस्टम को नियंत्रित करने वाले समरूपता (symmetry) के नियमों के कारण भौतिक रूप적으로 असंभव होंगी। इस डिज़ाइन का उपयोग वास्तविक क्वांटम प्रोसेसर में किया गया है, जैसे कि AWS के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित ओसेलोट (Ocelot) रिपिटिशन कोड, जहाँ इसने मिलीसेकंड के लिए सफलतापूर्वक सूचना को संग्रहीत किया। प्रचलित धारणा यह थी कि सहायक की त्रुटियां इस बात से स्वतंत्र थीं कि कितना प्रकाश संग्रहीत किया गया है; जितना अधिक प्रकाश होगा, उतनी ही बेहतर सुरक्षा होगी, और सहायक का व्यवहार स्थिर रहेगा।

हालाँकि, राइस यूनिवर्सिटी के अलेक्जेंडर गुलकानोव द्वारा किए गए एक नए विश्लेषण से पता चलता है कि इस ढाल में एक छिपी हुई दरार है। कैविटी के भीतर प्रकाश के साथ सहायक की परस्पर क्रिया को बारीकी से देखकर, शोधकर्ता ने पाया कि वे फोटॉन जो वास्तव में डेटा की रक्षा करने के लिए हैं, वास्तव में सहायक में एक विशिष्ट प्रकार की विफलता को ट्रिगर कर सकते हैं। अध्ययन से पता चलता है कि जब कैविटी फोटॉन से भरी होती है, तो सहायक एक ऐसी अवस्था में जा सकता है जिसे पहले वर्जित माना जाता था। इस प्रक्रिया में, सहायक निम्न ऊर्जा अवस्था में गिर जाता है और साथ ही प्रकाश क्षेत्र में एक फोटॉन जोड़ देता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह घटना बिना किसी चेतावनी संकेत के होती है। सिस्टम को पता नहीं चलता कि कोई त्रुटि हुई है, और क्योंकि सहायक की अवस्था इस तरह बदलती है जो डेटा को भ्रमित कर देती है, यह संग्रहीत सूचना को उलट (flip) देती है। यह एक मौन त्रुटि (silent error) है, जिसे कंप्यूटर पहचान या ठीक नहीं कर सकता।

शोधकर्ताओं ने केवल सैद्धांतिक रूप से यह विचार प्रस्तावित नहीं किया; उन्होंने वास्तविक मशीन में इस छिपे हुए चैनल के व्यवहार को देखने के लिए वास्तविक ओसेलोट डिवाइस का एक विस्तृत मॉडल बनाया। उन्होंने पाया कि इन मौन त्रुटियों की दर कैविटी में फोटॉन की संख्या पर सीधे निर्भर करती है। जैसे-जैसे संग्रहीत प्रकाश की मात्रा बढ़ती है, इस विशिष्ट विफलता की संभावना भी बढ़ती जाती है। यह पिछले मॉडलों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जिन्होंने माना था कि प्रकाश की तीव्रता के बावजूद त्रुटि दर स्थिर रहेगी। अपने सिमुलेशन में, टीम ने देखा कि ओसेलोट डिवाइस के लिए, इस तंत्र के कारण होने वाले बिट फ्लिप की संभावना चार से दस तक फोटॉन बढ़ने के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है। यह वृद्धि बताती है कि कोड को मजबूत बनाने के लिए अधिक प्रकाश जोड़ने का प्रयास अंततः एक दीवार से टकरा जाता है। उम्मीद के विपरीत कि त्रुटि दर तेजी से (exponentially) कम होती रहेगी, यह बढ़ने लगती है, जिससे एक ऐसा निचला स्तर बन जाता है जिससे सिस्टम नीचे नहीं जा सकता।

यह खोज इन क्वांटम कोड्स को अनुकूलित करने की वर्तमान समझ को चुनौती देती है। अध्ययन इंगित करता है कि प्रकाश भंडारण का एक इष्टतम आकार होता है, फोटॉन की एक विशिष्ट संख्या जहाँ त्रुटि दर सबसे कम होती है। इस बिंदु से आगे जाने पर, अधिक सुरक्षा प्राप्त करने के लिए अधिक प्रकाश संग्रहीत करने के प्रयास में, वास्तवв में सिस्टम अधिक असुरक्षित हो जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के लिए, यह सीमा विभिन्न प्रकार की त्रुटियों के बीच अंतर करने की सिस्टम की क्षमता को सीमित कर सकती है, जो प्रभावी रूप से कंप्यूटर के प्रदर्शन को भी सीमित करती है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि हालांकि वर्तमान प्रयोगों में यह प्रभाव छोटा है, जिन्होंने केवल चार फोटॉन तक का परीक्षण किया है, लेकिन रुझान स्पष्ट है। यदि तकनीक अधिक प्रकाश संग्रहीत करने के लिए स्केल होती है, तो यह मौन विफलता मोड त्रुटियों का प्रमुख स्रोत बन जाएगा, जो अन्य ज्ञात समस्याओं को पीछे छोड़ देगा।

यह शोध पत्र यह भी बताता है कि ऐसा क्यों होता है। वास्तव में, सहायक और प्रकाश केवल एक-दूसरे के पास नहीं बैठे हैं; वे गहराई से जुड़े हुए हैं। प्रकाश की उपस्थिति सहायक के ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को बदल देती है, जिससे पतन (decay) के लिए एक ऐसा मार्ग खुल जाता है जो प्रकाश की अनुपस्थिति में अवरुद्ध रहता है। यह मार्ग विद्युत शोर (electrical noise) द्वारा संचालित होता है, जो इन सर्किटों में एक सामान्य पृष्ठभूमि शोर है। जब प्रकाश मौजूद होता है, तो यह एक उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में कार्य करता है, जो सहायक को एक ऐसी छलांग लगाने के लिए उत्तेजित करता है जो वह अपने आप नहीं लगा पाता। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस प्रकार के सहायक के लिए यह प्रभाव अपरिहार्य है, चाहे सहायक और प्रकाश के बीच का संबंध कितना भी मजबूत क्यों न हो। इन जोखिमों को कम करने के एकमात्र तरीके या तो सहायक के डिज़ाइन को बदलना है, पूरी तरह से एक अलग प्रकार के सर्किट का उपयोग करना है, या यह स्वीकार करना है कि प्रकाश के उपयोग की एक सीमा है।

इन निष्कर्षों के भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के डिजाइन के लिए तत्काल निहितार्थ हैं। इंजीनियर जो प्रदर्शन में सुधार के लिए इन प्रकाश-आधारित कोड्स के आकार को बढ़ाने की योजना बना रहे थे, उन्हें अपनी रणनीतियों पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता हो सकती है। अध्ययन सुझाव देता है कि इस विशिष्ट परस्पर क्रिया को संबोधित किए बिना बड़े कोड के लिए जोर देना घटते प्रतिफल (diminishing returns) या यहाँ तक कि खराब प्रदर्शन की ओर ले जा सकता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनका कार्य ओसेलोट डिवाइस के ज्ञात भौतिकी पर आधारित एक सिमुलेशन है, जिसे हार्डवेयर के स्थिर मापों के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया है। हालांकि वास्तविक त्रुटि वृद्धि अभी तक प्रयोगों में नहीं देखी गई है क्योंकि वर्तमान उपकरणों का पर्याप्त प्रकाश के साथ परीक्षण नहीं किया गया है, फिर भी सैद्धांतिक ढांचा मजबूत है। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि यदि प्रयोगों को उच्च फोटॉन संख्या तक विस्तारित किया जाता है, तो त्रुटि दर बढ़ जाएगी, जो इस नए चैनल के अस्तित्व की पुष्टि करेगी।

अंततः, यह कार्य एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि क्वांटम प्रणालियों में, सूचना की रक्षा करने वाले उपकरण कभी-कभी उसके विनाश का स्रोत भी बन सकते हैं। फोटॉन जो कोड को स्थिर करते हैं, वे शोर को अंदर आने के लिए एक दरवाजा भी खोल देते हैं। इस तंत्र की पहचान करके, अध्ययन भविष्य के सुधारों के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान करता है। यह बताता है कि बेहतर क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को "अधिक प्रकाश बेहतर है" के सरल विचार से परे देखना होगा और इसके बजाय सहायक और उस डेटा के बीच की जटिल नृत्य पर ध्यान केंद्रित करना होगा जिसकी वह रक्षा करने के लिए बना है। आगे का रास्ता या तो सहायक को फिर से डिजाइन करने में है ताकि इस परस्पर क्रिया से बचा जा सके, या उस शोर को प्रबंधित करने के नए तरीके खोजने में है जो इसे संचालित करता है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि अगली पीढ़ी की क्वांटम मशीनें वास्तव में अपने स्वयं के अस्तित्व का शिकार हुए बिना प्रकाश की शक्ति का लाभ उठा सकें।