Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

आज के कंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाली मशीनें बनाने की खोज में, वैज्ञानिक पदार्थ के एक अजीब और नाजुक रूप की ओर मुड़ रहे हैं: सुपरकंडक्टिंग सर्किट (अतिचालक परिपथ)। ये धातु के लूप हैं जो, परम शून्य तापमान के करीब ठंडा होने पर, बिना किसी प्रतिरोध के बिजली प्रवाहित होने देते हैं। इन परिपथों के भीतर, शोधकर्ता 'क्यूबिट्स' नामक कृत्रिम परमाणु बनाते हैं, जो क्वांटम कंप्यूटरों के लिए सूचना की बुनियादी इकाइयाँ होते हैं। एक मानक कंप्यूटर के बिट्स के विपरीत, जो या तो शून्य या एक होते हैं, एक क्यूबिट दोनों अवस्थाओं के संयोजन में एक साथ रह सकता है। हालाँकि, ये क्यूबिट अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। उन पर लगातार उनके वातावरण का प्रहार होता है, और सूक्ष्म से सूक्ष्म संपर्क भी उन्हें अपनी जानकारी खोने के लिए मजबूर कर सकता है, जिसे 'डिकोहेरेंस' (decoherence) कहा जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक समुदाय इन क्यूबिट्स को उनके परिवेश से बचाने के लिए अथक प्रयास कर रहा है, इस उम्मीद में कि वे उस समय को बढ़ा सकें जब तक वे अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकते हैं। प्रचलित धारणा यह थी कि जैसे-जैसे क्यूबिट अधिक स्थिर होंगे, उनके वातावरण का शोर वाला बैकग्राउंड अंततः इतना शांत हो जाएगा कि उसे अनदेखा किया जा सके।

जर्मनी के कार्लसरहे इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस धारणा को चुनौती दी है, क्योंकि उन्होंने पाया है कि सुपरकंडक्टिंग सर्किट का वातावरण अपेक्षा से कहीं अधिक स्थायी है। एक विशेष प्रकार के सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करते हुए जिसे 'ट्रांसमोन' (transmon) कहा जाता है, जो टेंटलम धातु से बना है और अत्यधिक तापमान तक ठंडा किया गया है, वैज्ञानिकों ने उन छिपे हुए शोर के स्रोतों की तलाश की जो उनके क्यूबिट्स के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं। वे "टू-लेवल सिस्टम्स" (two-level systems) की तलाश कर रहे थे, जो सामग्री में छोटे दोष होते हैं जो सूक्ष्म स्विच की तरह कार्य कर सकते हैं, जो दो अवस्थाओं के बीच बदलते रहते हैं और क्यूबिट से ऊर्जा चुरा लेते हैं। हालांकि ये दोष कुछ समय से ज्ञात हैं, लेकिन शोधकर्ताओं ने कुछ असाधारण पाया: इन दोषों का एक विशिष्ट वर्ग जो एक सेकंड से अधिक समय तक ऊर्जा को थामे रख सकता है। क्वांटम दुनिया में यह एक आश्चर्यजनक समय है, जहाँ क्यूबिट आमतौर पर एक मिलीसेकंड के अंश में अपनी अवस्था खो देते हैं।

इन मायावी दोषों को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'क्वांटम-जंप कोरिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी' (quantum-jump correlation spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि एक शांत कमरे में बज रहे वायलिन के एक एकल स्वर को सुन रहे हैं। यदि वह स्वर अचानक रुक जाता है, तो आप सोच सकते हैं कि ध्वनि कहाँ गई। इस प्रयोग में, क्यूबिट वह वायलिन है, और शोधकर्ता उस क्षण पर नज़र रखते हैं जब वह कंपन करना बंद कर देता है, या निचली ऊर्जा अवस्था में "जंप डाउन" करता है। आमतौर पर, जब एक क्यूबिट ऊर्जा खोता है, तो वह ऊर्जा हमेशा के लिए आसपास के वातावरण में गायब हो जाती है। हालाँकि, टीम ने देखा कि कभी-कभी, क्यूबिट द्वारा फोटॉन की ऊर्जा खोने के बाद, वह ऊर्जा एक संक्षिप्त देरी के बाद क्यूबिट में वापस आ जाती है। ऊर्जा की यह वापसी इंगित करती है कि वातावरण ने ऊर्जा को केवल अवशोषित नहीं किया है, बल्कि उसे एक लंबे समय तक रहने वाली अवस्था में अस्थायी रूप से संग्रहीत किया है और फिर उसे वापस दे दिया है। इन घटनाओं को सावधानीपूर्वक ट्रैक करके, शोधकर्ता उन तीन विशिष्ट दोषों को अलग करने में सक्षम रहे, जो सैकड़ों मिलीसेकंड से लेकर एक सेकंड से अधिक समय तक ऊर्जा को थामे हुए थे।

शोधकर्ताओं ने फिर यह मापने के लिए एक नई विधि डिजाइन की कि ये दोष वास्तव में कितनी देर तक अपनी ऊर्जा को थामे रख सकते हैं। उन्होंने एक "पंप-प्रोब" (pump-probe) रणनीति का उपयोग किया, जिसमें पहले दोष को उत्तेजित करके उसे ऊर्जा से भरना शामिल था और फिर यह देखना था कि उस ऊर्जा को बाहर निकलने में कितना समय लगता है। क्यूबिट की आवृत्ति को दोष की आवृत्ति से थोड़ा अलग करके, वे यह नियंत्रित कर सके कि उनके बीच की परस्पर क्रिया कितनी मजबूत है। जब परस्पर क्रिया कमजोर थी, तो उन्होंने पाया कि दोष उल्लेखनीय रूप प्रकार से लंबे समय तक अपनी ऊर्जा को थामे रखते हैं। वास्तव में, अध्ययन किए गए दो दोषों के लिए, ऊर्जा एक सेकंड से अधिक समय तक संग्रहीत रही। यह क्यूबिट के स्वयं के जीवनकाल से कई गुना अधिक है, जो आमतौर पर केवल लगभग एक सौ माइक्रोसेकंड तक रहता है। तथ्य यह है कि ये दोष इतनी लंबी अवधि के लिए ऊर्जा को संग्रहीत कर सकते हैं, यह सुझाव देता है कि वे दुनिया के बाकी हिस्सों से असाधारण रूप से अलग-थलग हैं, जिससे उन्हें मानक माप उपकरणों के साथ पता लगाना अत्यंत कठिन हो जाता है।

अध्ययन ने इस बारे में भी सुराग दिए कि ये दोष वास्तव में क्या हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने मापों की तुलना एक मानक मॉडल से की जिसका उपयोग यह वर्णन करने के लिए किया जाता है कि परमाणु या अणु ठोस सामग्री में दो स्थितियों के बीच कैसे चलते हैं। यह मॉडल बताता है कि जो दोष बहुत धीरे चलते हैं और अपने परिवेश के साथ बहुत कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करते हैं, उनकी आयु बहुत लंबी होनी चाहिए। प्रयोग का डेटा इस भविष्यवाणी से पूरी तरह मेल खाता है, जिससे पता चलता है कि ये लंबे समय तक रहने वाले दोष संभवतः सामग्री में सूक्ष्म संरचनात्मक खामियां हैं जो बहुत धीरे-धीरे दो स्थितियों के बीच टनल (tunnel) करते हैं या चलते हैं। हालांकि शोधकर्ता अभी यह निश्चित रूप से नहीं कह सकते कि ये दोष वास्तव में कौन से रासायनिक या भौतिक संरचना हैं, लेकिन साक्ष्य अन्य संभावनाओं, जैसे चुंबकीय अशुद्धियों या फंसे हुए कणों से दूर संकेत देते हैं, जो अलग तरह से व्यवहार करेंगे। क्यूबिट और इन दोषों के बीच कमजोर परस्पर क्रिया, जिसे प्रति सेकंड कुछ हजार चक्रों के रूप में मापा गया है, इस विचार के अनुरूप है कि वे इस मानक मॉडल द्वारा वर्णित स्थिति संबंधी दोष (positional defects) हैं।

यह खोज वैज्ञानिकों के क्वांटम कंप्यूटरों के वातावरण को देखने के नजरिए को बदल देती है। पहले, यह माना जाता था कि जैसे-जैसे क्यूबिट बेहतर होंगे, बचा हुआ शोर अल्पकालिक और प्रबंधनीय होगा। अब, ऐसा प्रतीत होता है कि सबसे स्थायी शोर इन लंबे समय तक रहने वाले दोषों से आता है जो सेकंडों तक ऊर्जा को थामे रख सकते हैं। भविष्य के क्वांटम एरर करेक्शन (त्रुटि सुधार), जो क्वांटम गणनाओं में गलतियों को ठीक करने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि है, के लिए इसके महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। यदि वातावरण क्यूबिट की अवस्था को लंबे समय तक याद रखता है, तो यह त्रुटियों के जटिल पैटर्न बना सकता है जिन्हें अनुमान लगाना और ठीक करना कठिन होता है। हालाँकि, शोधकर्ता इसमें एक संभावित लाभ भी देखते हैं। क्योंकि ये दोष इतनी लंबी अवधि तक क्वांटम सूचना को थामे रख सकते हैं, इसलिए भविष्य में इनका उपयोग क्वांटम सर्किट के भीतर मेमोरी के एक रूप के रूप में किया जा सकता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि जैसे-जैसे वैज्ञानिक अपने क्यूबिट्स की गुणवत्ता में सुधार करना जारी रखेंगे, वे संभवतः इन लंबे समय तक रहने वाले दोषों का और अधिक सामना करेंगे, ठीक वैसे ही जैसे एक बेहतर लेंस वाला टेलीस्कोप रात के आकाश में धुंधले तारों को प्रकट करता है।

इस शोध पत्र में प्रस्तुत कार्य सुपरकंडक्टिंग सर्किट के भीतर सूक्ष्म दुनिया को समझने के लिए एक नया ढांचा स्थापित करता है। यह सिद्ध करता है कि ये सर्किट सेकंडों तक चलने वाले सूक्ष्म स्तर के गुणों का पता लगाने के लिए संवेदनशील प्रोब के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो कि इस संदर्भ में पहले असंभव माना जाता था। जबकि इन दोषों की सटीक प्रकृति आगे के अन्वेषण का विषय बनी हुई है, उनकी जीवन अवधि और कपलिंग स्ट्रेंथ (जुड़ाव की शक्ति) को मापने की क्षमता नियंत्रण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम प्रदान करती है। चाहे इन लंबे समय तक रहने वाले तंत्रों को एक ऐसी समस्या के रूप में देखा जाए जिसे समाप्त करना आवश्यक है, या एक ऐसे संसाधन के रूप में जिसे उपयोग किया जा सकता है, उनका अस्तित्व क्वांटम प्रौद्योगिकी के परिदृश्य को मौलिक रूप से बदल देता है। शोधकर्ताओं ने क्वांटम वातावरण की एक छिपी हुई परत का दरवाजा खोल दिया है, जो शांत, स्थायी और चुनौती एवं खोज दोनों की संभावनाओं से भरी है।