Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
यह शोध पत्र ज़्यूस-256 (Zeus-256) के प्रयोगात्मक बेंचमार्किंग की रिपोर्ट करता है, जो एक नवीन ऑप्टिकली प्रोग्रामेबल बायोमॉलिक्यूलर क्वांटम बस का उपयोग करने वाला एक कमरे के तापमान पर संचालित 256-क्यूबिट एनवी-डायमंड (NV-diamond) क्वांटम प्रोसेसर है, जिसने 84-बिट पूर्णांकों के लिए शोर के एल्गोरिदम (Shor's algorithm) और उच्च-सटीकता वाले एंटैंगलमेंट प्रोटोकॉल सहित जटिल एल्गोरिदम को सफलतापूर्वक निष्पादित किया है, हालांकि यह अभी तक क्वांटम एडवांटेज प्रदर्शित नहीं करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
क्वांटम कंप्यूटिंग उन समस्याओं को हल करने का वादा करती है जो वर्तमान में सबसे शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों के लिए भी असंभव हैं, लेकिन ऐसा करने के लिए एक मशीन बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। मुख्य चुनौती नाजुक क्वांटम सूचना को स्थिर रखने में निहित है। कई प्रणालियों में, डेटा संग्रहीत करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सूक्ष्म कण, जिन्हें क्यूबिट्स (qubits) कहा जाता है, यदि वे बहुत गर्म हो जाते हैं या अपने वातावरण के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, तो वे लगभग तुरंत अपने विशेष गुणों को खो देते हैं। यह आमतौर पर वैज्ञानिकों को मजबूर करता है कि वे अपनी मशीनों को परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा करें, जिसके लिए विशाल, जटिल रेफ्रिजरेशन सिस्टम की आवश्यकता होती है। एक अन्य बाधा इन क्यूबिट्स को जोड़ना है। गणना करने के लिए, क्यूबिट्स को एक-दूसरे से बात करनी चाहिए, लेकिन कई डिजाइनों में, वे केवल अपने निकटतम पड़ोसियों के साथ ही संवाद कर सकते हैं। चिप के एक तरफ से दूसरी ओर सूचना प्राप्त करने के लिए, कंप्यूटर को डेटा को पड़ोसियों की एक लंबी श्रृंखला के माध्यम से आगे बढ़ाना पड़ता है, जिससे सब कुछ धीमा हो जाता है और त्रुटियां आती हैं। शोधकर्ता यह सवाल पूछ रहे थे कि क्या एक बड़ा, उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर बनाना संभव है जो कमरे के तापमान पर काम कर सके और इसके मस्तिष्क के किसी भी हिस्से को दूसरे हिस्से से बिना इन धीमी, त्रुटि-पूर्ण श्रृंखलाओं के जोड़ सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार के क्वांटम प्रोसेसर का प्रदर्शन किया है जो कमरे के तापमान पर संचालित होता है और कनेक्शन की समस्या को हल करने के लिए एक अद्वितीय जैविक सामग्री का उपयोग करता है। उन्होंने ज़्यूस-256 (Zeus-256) नामक एक उपकरण बनाया है जिसमें 256 सक्रिय प्रसंस्करण इकाइयाँ, या लॉजिकल क्यूबिट्स, एक ग्रिड में व्यवस्थित हैं। अन्य प्रणालियों के विपरीत जो एक बड़ी मशीन का अनुकरण करने के लिए समय के साथ कुछ ही क्यूबिट्स का पुन: उपयोग करती हैं, इन 256 इकाइयों में से प्रत्येक सक्रिय है और एक साथ काम कर रही है। यह प्रोसेसर एक छोटे हीरे के क्रिस्टल पर बना है जिसमें नाइट्रोजन-वैकेंसी (nitrogen-vacancy) केंद्र हैं, जो हीरे की संरचना में सूक्ष्म दोष हैं जो क्यूबिट के रूप में कार्य करते हैं। इन दोषों को माइक्रोवेव और रेडियो तरंगों का उपयोग करके नियंत्रित किया जाता है, जबकि उनकी स्थिति को प्रकाश का उपयोग करके पढ़ा जाता है। सबसे महत्वपूर्ण नवाचार, हालांकि, यह है कि क्यूबिट्स एक-दूसरे से कैसे बात करते हैं। भौतिक तारों पर निर्भर रहने या क्यूबिट्स को इधर-उधर ले जाने के बजाय, शोधकर्ताओं ने हीरे के ऊपर प्रोटीन-आधारित सामग्री की एक विशेष परत रखी। यह परत एक प्रोग्राम करने योग्य पुल, या "क्वांटम बस" के रूप में कार्य करती है, जिसे प्रकाश के साथ ट्यून किया जा सकता है ताकि चिप पर दूर स्थित किन्हीं भी दो क्यूबिट्स को जोड़ा जा सके। यह कंप्यूटर को दूरी के कारण होने वाली सामान्य देरी के बिना जटिल संचालन करने की अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं ने इस मशीन का परीक्षण करने के लिए विभिन्न प्रकार के मानक क्वांटम एल्गोरिदम चलाए ताकि यह देखा जा सके कि यह कैसा प्रदर्शन करती है। उन्होंने जटिल एंटैंगल्ड स्टेट्स (entangled states) बनाने, विशिष्ट पैटर्न खोजने और गणितीय गणना करने के लिए डिज़ाइन किए गए सर्किटों को सफलतापूर्वक निष्पाद выпол (execute) किया। सबसे प्रभावशाली परीक्षणों में से एक बड़े नंबरों के गुणनखंड खोजने के लिए एक प्रसिद्ध एल्गोरिदम शामिल था, जो आधुनिक क्रिप्टोग्राफी के लिए केंद्रीय कार्य है। टीम ने 11 अलग-अलग नंबरों पर यह एल्गोरिदम चलाया, जो छोटे 8-बिट पूर्णांकों से लेकर एक विशाल 84-बिट नंबर तक विस्तृत थे। सबसे बड़े नंबर के लिए, जिसमें सभी 256 क्यूबिट्स को मिलकर काम करने की आवश्यकता थी, मशीन ने 10 प्रयासों के बाद एक "फैक्टर रिकवरी" (factor recovery) फ्लैग दर्ज किया। हालांकि, अध्ययन विशिष्ट विभाजकों (divisors) का खुलासा नहीं करता है, न ही प्रत्येक व्यक्तिगत प्रयास के लिए सफलता की संख्या या प्रति प्रयास सफलता की संभावना बताता है। इस कठिन गणना के लिए पूरी प्रक्रिया में आधा सेकंड से थोड़ा अधिक समय लगा। एक अन्य परीक्षण में, मशीन ने एक साथ सभी 256 क्यूबिट्स को शामिल करते हुए एक विशिष्ट प्रकार की अत्यधिक एंटैंगल्ड स्टेट बनाई। जब उन्होंने इस अवस्था की गुणवत्ता को मापा, तो उन्होंने पाया कि यह लगभग 99.9 प्रतिशत की फिडेलिटी (fidelity) के साथ आदर्श सैद्धांतिक लक्ष्य से मेल खाती है, जो यह दर्शाता है कि कमरे के तापमान वाले वातावरण के बावजूद क्वांटम सूचना उल्लेखनीय रूप से स्थिर रही।
अध्ययन ने यह भी मापा कि मशीन को इन कार्यों को पूरा करने में कितना समय लगा। शोधकर्ताओं ने पाया कि किसी प्रोग्राम को चलाने में लगने वाला समय क्यूबिट्स की कुल संख्या के बजाय निर्देशों की जटिलता और गणना की विशिष्ट संरचना पर अधिक निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, कम क्यूबिट्स का उपयोग करने वाली कुछ गणनाओं में अधिक क्यूबिट्स वाली अन्य गणनाओं की तुलना में बहुत अधिक समय लगा, क्योंकि उनके निर्देश अधिक जटिल थे। यह सुझाव देता है कि प्रोसेसर की गति केवल रजिस्टर के आकार से नहीं, बल्कि इस बात से निर्धारित होती है कि सॉफ्टवेयर को हीरे को नियंत्रित करने वाले भौतिक पल्स में कैसे अनुवादित किया जाता है। टीम ने यह भी सत्यापित किया कि मशीन वास्तव में क्वांटम तरीके से व्यवहार कर रही थी, जिसके लिए उन्होंने क्यूबिट्स के जोड़ों के बीच सहसंबंधों (correlations) को मापा। परिणामों ने जुड़ाव का एक ऐसा स्तर दिखाया जो शास्त्रीय भौतिकी के साथ प्राप्त करना असंभव है, जिससे पुष्टि हुई कि उपकरण एक वास्तविक क्वांटम प्रणाली के रूप में कार्य कर रहा है।
हालांकि यह मशीन एक महत्वपूर्ण कदम है, शोधकर्ता यह बताने में सावधानी बरतते हैं कि इसने क्या हासिल किया है और क्या नहीं। वे स्पष्ट रूप से कहते हैं कि यह कार्य अभी तक यह सिद्ध नहीं करता है कि मशीन सबसे अच्छे क्लासिकल कंप्यूटरों की तुलना में तेजी से समस्याओं को हल कर सकती है, जिसे क्वांटम एडवांटेज (quantum advantage) कहा जाता है। प्रदान किया गया समय डेटा प्रोसेसर की आंतरिक निष्पादन गति का माप है और इसमें उपयोगकर्ता के कोड को अनुवादित करने या प्रकाश को एकत्र करने और विश्लेषण करने के लिए आवश्यक समय शामिल नहीं है। 256-क्यूबिट डिवाइस अब तक बनाया गया और परीक्षण किया गया सबसे बड़ा संस्करण है। वे इस समान डिज़ाइन को लगभग 10,000 क्यूबिट तक स्केल करने के भविष्य के इंजीनियरिंग लक्ष्य का वर्णन करते हैं, लेकिन वे स्पष्ट करते हैं कि इस बड़े संस्करण को अभी तक बनाया नहीं गया है। वर्तमान सफलता एक मालिकाना जैविक सामग्री पर निर्भर करती है जो कनेक्शन परत के रूप में कार्य करती है, जिसका सटीक रासायनिक संयोजन प्रकट नहीं किया गया है। हालांकि, यह तथ्य कि इस दृष्टिकोण का उपयोग करने वाली एक मशीन 256 क्यूबिट्स को कमरे के तापमान पर समन्वित कर सकती है और जटिल, लंबी दूरी की अंतःक्रियाएं कर सकती है, ऐसे बड़े, अधिक व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटरों की ओर एक व्यवहार्य मार्ग का सुझाव देता है जिन्हें अत्यधिक कूलिंग की आवश्यकता नहीं होती है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि डायमंड-आधारित क्यूबिट्स, न्यूक्लियर स्पिन मेमोरी और प्रकाश-नियंत्रित जैविक पुल का संयोजन एक कार्यात्मक, कमरे के तापमान वाले क्वांटम प्रोसेसर बना सकता है जो पर्याप्त कम्प्यूटेशनल कार्यों को संभालने में सक्षम है।
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