Structured light for addressable two-qubit gates in medium-sized ion crystals: modeling motional and dephasing errors

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की दौड़ में, वैज्ञानिक उप-परमाणु दुनिया के विचित्र नियमों का उपयोग उन समस्याओं को हल करने के लिए करने की कोशिश कर रहे हैं जिन्हें हल करने में साधारण मशीनों को हजारों साल लग जाएंगे। इस कार्य के लिए सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक ट्रैप्ड-आयन क्वांटम प्रोसेसर है, जो अदृश्य विद्युत क्षेत्रों द्वारा निर्वात (वैक्यूम) में निलंबित सूक्ष्म, विद्युत रूप से आवेशित परमाणुओं का उपयोग करता है। ये परमाणु सूचना के बिट्स, या क्यूबिट्स के रूप में कार्य करते हैं, लेकिन उन्हें उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को उन्हें एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए मजबूर करना पड़ता है। यह परस्पर क्रिया, जिसे एंटैंगलिंग गेट कहा जाता है, क्वांटम कंप्यूटिंग का इंजन है, फिर भी इसे पूर्ण बनाना अत्यंत कठिन है। जैसे-जैसे प्रोसेसर में परमाणुओं की संख्या बढ़ती है, उन्हें अपने पड़ोसियों को परेशान किए बिना एक-दूसरे से बात करने के लिए प्रेरित करने का कार्य तेजी से कठिन होता जाता है, जिससे अक्सर नाजुक क्वांटम सूचना त्रुटि में ढह जाती है।

चुनौती इस बात में निहित है कि इन परमाणुओं को कैसे नियंत्रित किया जाता है। दो विशिष्ट परमाणुओं को परस्पर क्रिया करने के लिए, वैज्ञानिक आमतौर पर उन पर लेजर बीम चमकाते हैं। हालांकि, यदि लेजर बहुत चौड़ा या खराब तरीके से लक्षित है, तो यह पास के उन परमाणुओं पर भी फैल जाता है जिन्हें निष्क्रिय रहना चाहिए। इस अवांछित हस्तक्षेप को क्रॉसटॉक कहा जाता है, जो शोर (नॉइज़) पैदा करता है। इसके अलावा, परमाणु लगातार कंपन करते रहते हैं, और यदि लेजर गलत प्रकार के कंपन के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो यह एक अराजक वातावरण बना देता है जो गणना को खराब कर देता है। वर्षों तक, एक समझौता (ट्रेड-ऑफ) मौजूद था: क्रॉसटॉक से बचने के लिए किनारे से लेजर को लक्षित करना गलत कंपनों को उत्तेजित करेगा, जबकि सही कंपनों को उत्तेजित करने के लिए छोर से लक्षित करना बहुत अधिक क्रॉसटॉक का कारण बनेगा।

पाब्लो विनास और स्पेन एवं ऑस्ट्रिया के संस्थानों के सहयोगियों के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया सैद्धांतिक ढांचा विकसित किया है जो यह बताता है कि इस गतिरोध को कैसे तोड़ा जाए। उन्होंने एक हालिया प्रयोग का विश्लेषण किया जहां वैज्ञानिकों ने इस समस्या को हल करने के लिए प्रकाश के एक चतुर तरीके का उपयोग किया। साधारण, एकसमान लेजर बीमों के बजाय, उन्होंने प्रकाश को एक विशिष्ट पैटर्न में आकार दिया, जिससे एक ग्रेडिएंट (प्रवणता) उत्पन्न हुआ जो बीम के आर-पार बदलता रहता है। यह संरचित प्रकाश उन्हें परमाणुओं पर इस तरह से धकेलने और खींचने की अनुमति देता है जो केवल श्रृंखला की लंबाई के साथ चलने वाले कंपनों को लक्षित करता है, जबकि परेशानी पैदा करने वाले अगल-बगल के डगमगाहटों को अनदेखा करता है। ऐसा करके, वे बीम के पड़ोसियों में सिग्नल के रिसने के बिना, बीस परमाणुओं की श्रृंखला में भी उच्च सटीकता के साथ व्यक्तिगत परमाणुओं को संबोधित कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि यह प्रक्रिया वास्तव में कैसे काम करती है और त्रुटियां कहां से आती हैं, एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाया। उन्होंने पाया कि इन गेटों के विफल होने के प्राथमिक स्रोत गर्मी के कारण परमाणुओं का प्राकृतिक, यादृच्छिक हिलना-डुलना और परमाणुओं को थामे रखने वाले चुंबकीय क्षेत्रों का टिमटिमाना है। उनके गणनाओं से पता चलता है कि हालिया प्रयोग में उपयोग की गई स्थितियों के तहत, ये दो कारक कुल त्रुटियों के ९३ प्रतिशत तक के लिए जिम्मेदार हैं। यह एक महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि है क्योंकि यह इंजीनियरों को बताता है कि उन्हें मशीनों को बेहतर बनाने के लिए अपना प्रयास कहाँ केंद्रित करना चाहिए। यदि वे परमाणुओं को और अधिक ठंडा कर सकें या उन्हें चुंबकीय शोर से बेहतर तरीके से सुरक्षित कर सकें, तो वे त्रुटि दर को काफी कम कर सकते हैं।

अध्ययन ने यह भी देखा कि परमाणुओं की श्रृंखला लंबी होने पर यह विधि कैसे स्केल होती है। कई अन्य दृष्टिकोणों में, अधिक परमाणु जोड़ने से प्रणाली अस्थिर हो जाती है और त्रुटि दर आसमान छूने लगती है। हालांकि, लेखकों के सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि इस संरचित प्रकाश तकनीक के साथ, त्रुटि दर उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहती है, भले ही श्रृंखला एक दर्जन परमाणुओं से बढ़कर बीस हो जाए। उन्होंने लेजर और ट्रैप के विशिष्ट सेटिंग्स की पहचान की जो सैद्धांतिक रूप से त्रुटि दर को एक हजार में से एक से घटाकर एक लाख में से एक तक ला सकती हैं। सटीकता का यह स्तर जटिल एल्गोरिदम चलाने और अपनी गलतियों को स्वयं सुधारने के लिए आवश्यक विश्वसनीय, बड़े पैमाने के क्वांटम कंप्यूटरों की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।

यह पुष्टि करते हुए कि यह दृष्टिकोण आयनों की मध्यम आकार की श्रृंखलाओं के लिए काम करता है, यह शोध पत्र अधिक शक्तिशाली क्वांटम प्रोसेसर बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। टीम ने केवल यह नहीं देखा कि यह विधि काम करती है; उन्होंने यह भी समझाया कि यह क्यों काम करती है और इसके प्रदर्शन की सीमाओं को मापा। उनका कार्य सुझाव देता है कि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के लिए बाधा आवश्यक रूप से अधिक परमाणुओं को थामने की क्षमता नहीं है, बल्कि उन्हें प्रभावित करने वाले शोर को नियंत्रित करने की क्षमता है। उनके निष्कर्षों के आधार पर सही इंजीनियरिंग समायोजनों के साथ, एक व्यावहारिक, फॉल्ट-टोलरेंट (दोष-सहिष्णु) क्वांटम कंप्यूटर बनाने का मार्ग काफी स्पष्ट हो जाता है।