Local error correction prolongs time-crystalline memory
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर पर स्टोकेस्टिक लोकल बिट-फ्लिप एरर करेक्शन को लागू करने से एक द्वि-आयामी डिस्क्रीट टाइम क्रिस्टल के जीवनकाल को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाया जा सकता है और उसके स्थानिक क्रम को स्थिर किया जा सकता है, जो उन पर्यावरणीय सीमाओं पर विजय प्राप्त करता है जो आमतौर पर इसकी अवधि को प्रतिबंधित करती हैं।
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क्वांटम भौतिकी की शांत और नियंत्रित दुनिया में, शोधकर्ता ऐसी मशीनें बनाना सीख रहे हैं जो न केवल संख्याओं की गणना करती हैं, बल्कि पदार्थ के व्यवहार का अनुकरण (सिमुलेशन) भी करती हैं। ये क्वांटम सिम्युलेटर नियंत्रित प्रयोगशालाओं के रूप में कार्य करते हैं जहाँ वैज्ञानिक देख सकते हैं कि कणों के समूह कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, जो उन जटिल व्यवहारों की एक झलक प्रदान करते है जिन्हें सबसे शक्तिशाली क्लासिकल कंप्यूटरों के लिए भी भविष्यवाणी करना बहुत कठिन है। उनके द्वारा अध्ययन की जाने वाली सबसे आकर्षक घटनाओं में से एक "टाइम क्रिस्टल" (समय क्रिस्टल) हैं। साधारण क्रिस्टल, जैसे हीरा या नमक, जो अंतरिक्ष में अपने परमाणु पैटर्न को दोहराते हैं, के विपरीत, टाइम क्रिस्टल अपने पैटर्न को समय में दोहराते हैं। यह पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो, जब इसे एक नियमित धक्का दिया जाता है, तो एक ऐसी लय में स्थिर हो जाती है जो उस धक्के से मेल नहीं खाती। हर धक्के के साथ अपने मूल रूप में वापस आने के बजाय, सिस्टम एक स्थिर, दोहराव वाले चक्र में आगे-पीधे होता रहता है जो ऊर्जा इनपुट की सामान्य अनुमति से कहीं अधिक समय तक चलता है। यह व्यवहार एक ऐसे क्रम का रूप है जो ऊर्जा खोने और शांत होने की प्रणालियों की सामान्य प्रवृत्ति को चुनौती देता है, लेकिन वास्तविक दुनिया में, उपकरणों में शोर और खामियों के कारण ये नाजुक लय आसानी से टूट जाती है।
टीयू डॉर्टमुंड यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस नाजुक लय को पहले की तुलना में बहुत लंबे समय तक सुरक्षित रखने का एक तरीका खोज लिया है। एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर का उपयोग करके, उन्होंने हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते के समान) पैटर्न में व्यवस्थित परस्पर क्रिया करने वाले स्पिनों के मॉडल पर "लोकल एरर करेक्शन" (स्थानीय त्रुटि सुधार) की एक विधि का परीक्षण किया। अपने प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने 68 भौतिक क्वबिट्स तक के समूह पर स्पंदों (पल्स) का एक क्रम लागू किया, जो क्वांटम कंप्यूटर में सूचना की बुनियादी इकाइयाँ हैं। बिना किसी हस्तक्षेप के, मशीन का प्राकृतिक शोर और स्पंदों की खामियां टाइम-क्रिस्टल की लय को जल्दी से समाप्त कर देंगी। हालाँकि, टीम ने एक नई रणनीति पेश की: उन्होंने एक नया स्तर जोड़ा जिसमें सिमुलेशन के दौरान ही सक्रिय निगरानी और सुधार शामिल था। उन्होंने अतिरिक्त क्वबिट्स का उपयोग किया, जिन्हें 'एंसिलस' कहा जाता है, ताकि वे समग्र अवस्था को बाधित किए बिना अपने पड़ोसियों के बीच के संबंधों की लगातार जांच कर सकें। यदि जांच में कोई छोटी गलती पाई गई, जैसे कि एक एकल स्पिन गलत दिशा में घूम गया, तो सिस्टम तुरंत उसे ठीक करने के लिए एक लक्षित सुधार लागू करता था। यह प्रक्रिया पूर्ण नहीं थी; इसे स्टोकेस्टिकली (संभाव्यता के आधार पर) लागू किया गया था, जिसका अर्थ है कि यह हर एक चरण के बजाय एक निश्चित संभावना के साथ हुआ, और इसने केवल बिट-फ्लिप त्रुटियों को ठीक करने पर ध्यान केंद्रित किया जबकि अन्य प्रकार की त्रुटियों को छोड़ दिया।
परिणामों ने दिखाया कि इस सक्रिय हस्तक्षेप ने टाइम-क्रिस्टल मेमोरी के जीवन को पहले की तुलना में काफी बढ़ा दिया। जब शोधकर्ताओं ने उच्च सक्रियण संभावना के साथ इस सुधार को लागू किया, तो सिस्टम की लय बिना किसी सुधार के चलाए गए समान सिमुलेशन की तुलना में लगभग दोगुने चक्रों तक चली। छोटे परीक्षण पैच पर, मेमोरी क्षय का समय लगभग 66 चक्रों से बढ़कर 133 चक्र हो गया। बड़े पैच पर, स्थानिक क्रम के संदर्भ में सुधार और भी नाटकीय था; जहाँ बिना सुधार वाला ड्राइव स्पिन को काफी हद तक अव्यवस्थित छोड़ देता था, वहीं सुधारा गया सिस्टम पूरे लैटिस में मजबूत संरेखण बनाए रखता था। शोधकर्ताओं ने देखा कि सुधार ने न केवल स्पिनों को समय के साथ बनाए रखा; बल्कि इसने उन्हें एक-दूसरे के सापेक्ष भी स्थान में बनाए रखा, जिससे "असहमति वाले बॉन्ड्स" (disagreeing bonds) कम हुए जहाँ पड़ोसी विपरीत दिशाओं में संकेत करते हैं। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि केवल सिस्टम को मापने से, त्रुटियों को ठीक किए बिना, मेमोरी का क्षय वास्तव में तेज हो गया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि सुधार की क्रिया ही व्यवस्था को संरक्षित कर रही थी, न कि केवल अवलोकन।
अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि जब ड्राइविंग पल्स पूरी तरह से ट्यून नहीं होते हैं तो सिस्टम कैसा व्यवहार करता है। जब शोधकर्ताओं ने पल्स कोण को उस सेटिंग पर समायोजित किया जहाँ टाइम-क्रिस्टल की लय सैद्धांतिक रूप से गायब हो जानी चाहिए, तो सुधार पद्धति वैश्विक फ्लिपिंग पैटर्न को बनाए रखने में असमर्थ रही। टेम्पोरल मेमोरी (सामयिक स्मृति) लुप्त हो गई, फिर भी स्पिनों का स्थानीय संरेखण आश्चर्यजनक रूप से मजबूत बना रहा। यह सुझाव देता है कि जबकि सुधार छोटे, स्थानीय दोषों को ठीक कर सकता है, यह उस मौलिक हीटिंग और विकार को दूर नहीं कर सकता जो तब होता है जब सिस्टम को उसके आदर्श रूप से बहुत दूर ले जाया जाता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने स्पिन कॉन्फ़िगरेशन के वितरण का विश्लेषण किया और पाया कि सुधार ने बिखरी हुई, यादृच्छिक त्रुटियों के बजाय उलटे स्पिन के बड़े, जुड़े हुए क्षेत्रों को बनाने की प्रवृत्ति दिखाई। यह इंगित करता है कि सिस्टम न केवल व्यक्तिगत गलतियों को ठीक कर रहा था, बल्कि बड़े पैमाने की संरचनाओं को भी बनाए रख रहा था, भले ही वे संरचनाएं कभी-कभी पूरी तरह से उलट दी गई हों।
इस संरक्षित अवस्था की गहरी प्रकृति को समझने के लिए, टीम ने क्वबिट्स के छोटे समूहों के बीच क्वांटम एंटैंगलमेंट (उलझाव) का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि सुधार प्रक्रिया इन क्वांटम कनेक्शनों को लंबे समय तक बनाए रखने में मदद करती है, विशेष रूप से जब सिस्टम आदर्श टाइम-क्रिस्टल शासन के करीब होता है। हालाँकि, जैसे-जैसे सिस्टम इस शासन से दूर जाता है, एंटैंगलमेंट फीका पड़ने लगता है, और सुधार सिस्टम को अराजक, थर्मल अवस्था में जाने से रोक नहीं पाता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि लोकल एरर करेक्शन गैर-संतुलन क्वांटम अवस्थाओं के जीवन को बढ़ाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन यह सभी प्रकार के क्षय के खिलाफ एक जादुई ढाल नहीं है। यह सबसे अच्छा तब काम करता है जब अंतर्निहित भौतिकी व्यवस्था का समर्थन करती है, और इसके प्रभावी होने के लिए माप और हस्तक्षेप के बीच एक सावधानीपूर्ण संतुलन की आवश्यकता होती है। यह प्रदर्शित करके कि स्थानीय रिकवरी, अनकॉर्डेड डायनेमिक्स की तुलना में टाइम-क्रिस्टलाइन मेमोरी को दोगुने से अधिक अवधि के लिए संरक्षित कर सकती है, यह कार्य अधिक मजबूत क्वांटम सिम्युलेटर बनाने की दिशा में एक ठोस कदम है जो लंबे समय के पैमाने पर जटिल भौतिक घटनाओं की खोज करने में सक्षम हैं।
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