Demonstrating RFSoC-based Control of a Fully Connected Exchange-Only Qubit
यह शोध पत्र एक पूर्णतः कनेक्टेड एक्सचेंज-ओनली क्वबिट के सुसंगत नियंत्रण (coherent control), अवस्था तैयारी (state preparation) और पठन (readout) को प्राप्त करने के लिए ओपन-सोर्स, RFSoC-आधारित SpinQICK नियंत्रण प्रणाली के उपयोग को प्रदर्शित करता है, साथ ही विद्युत शोर (electrical noise) को वर्गीकृत करने के लिए एक नवीन डायनेमिकल डिकपलिंग अनुक्रम पेश करता है और सेमीकंडक्टर स्पिन क्वबिट अनुसंधान के लिए एक कम लागत वाले, लचीले प्लेटफॉर्म को स्थापित करता है।
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क्वांटम कंप्यूटर उन समस्याओं को हल करने का वादा करते हैं जो वर्तमान में सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटरों के लिए भी असंभव हैं, लेकिन उन्हें बनाने के लिए एक नाजुक संतुलन की आवश्यकता होती है। इनमें से कई मशीनों के केंद्र में इलेक्ट्रॉन नामक सूक्ष्म कण होते हैं, जिन्हें क्वांटम डॉट्स नामक सूक्ष्म संरचनाओं में कैद किया जा सकता है। ये डॉट्स कृत्रिम परमाणुओं की तरह कार्य करते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों को अपनी जगह पर बनाए रखते हैं ताकि उनका उपयोग सूचना के बिट्स के रूप में किया जा सके। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती केवल इन डॉट्स को बनाना नहीं है, बल्कि उन्हें नियंत्रित करना है। क्वांटम कंप्यूटर को काम करने के योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन डॉट्स को नियंत्रित करने हेतु अत्यंत सटीक विद्युत संकेत भेजने होते हैं। वर्षों से, इसे करने के लिए आवश्यक उपकरण अत्यधिक महंगे और अनुकूलित करने में कठिन रहे हैं, जिनकी लागत अक्सर लाखों डॉलर होती है और जो उपयोगकर्ताओं को कठोर, मालिकाना प्रणालियों तक सीमित कर देते हैं। इस उच्च लागत और लचीलेपन की कमी ने प्रगति को धीमा कर दिया है, जिससे कई अनुसंधान प्रयोगशालाएं सबसे आशाजनक डिजाइनों के साथ स्वतंत्र रूप से प्रयोग करने में असमर्थ रही हैं।
HRL लैबोरेटरीज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए, किफायती नियंत्रण सिस्टम का उपयोग करके इस बाधा को तोड़ने का तरीका प्रदर्शित किया है, जो मूल रूप से रेडियो संचार के लिए डिज़ाइन किए गए एक चिप पर आधारित है। उन्होंने इस सिस्टम का उपयोग विशेष प्रकार के क्वांटम बिट को नियंत्रित करने के लिए सफलतापूर्वक किया, जो तीन क्वांटम डॉट्स से बना है जिन्हें एक त्रिकोण के रूप में व्यवस्थित किया गया है। यह सिद्ध करके कि यह कम लागत वाला सेटअप महंगे वाणिज्यिक उपकरणों के समान ही जटिल, उच्च-गति वाले संचालन करने में सक्षम है, टीम ने अधिक वैज्ञानिकों के लिए इन उपकरणों को बनाने और परीक्षण करने का मार्ग खोल दिया है। उनके कार्य ने विद्युत शोर (electrical noise) के एक छिपे हुए स्रोत को भी उजागर किया, जिससे यह पता चला कि इस नए सिस्टम का उपयोग न केवल क्वांटम बिट्स को नियंत्रित करने के लिए, बल्कि उन्हें चलाने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स का निदान करने और उन्हें ठीक करने के लिए भी किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने 'एक्सचेंज-ओनली क्वबिट' (exchange-only qubit) नामक एक डिजाइन पर ध्यान केंद्रित किया, जो तीन अलग-अलग डॉट्स में फंसे तीन इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है। इस व्यवस्था में, जानकारी एकल इलेक्ट्रॉन की स्थिति में नहीं, बल्कि इस बात में संग्रहीत होती है कि तीनों इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। इस डिजाइन का एक बड़ा लाभ यह है कि यह स्वाभाविक रूप से चुंबकीय हस्तक्षेप के कुछ प्रकारों से सुरक्षित है जो आमतौर पर क्वांटम सूचना को अस्त-व्यस्त कर देते हैं। हालांकि, इन तीन डॉट्स को नियंत्रित करना कठिन है क्योंकि वे एक-दूसरे के बहुत करीब स्थित होते हैं। जब कोई वैज्ञानिक एक डॉट को हिलाने के लिए संकेत भेजने की कोशिश करता है, तो विद्युत क्षेत्र अक्सर दूसरे डॉट्स पर भी प्रभाव डाल देता है और अनजाने में उनके पड़ोसियों को भी हिला देता है। यह "क्रॉसटॉक" (crosstalk) गणना के लिए आवश्यक सटीक गतिविधियों को करना कठिन बना देता है। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने 'स्पिनQICK' (spinQICK) नामक एक नियंत्रण मंच का उपयोग किया, जो एक ज़िलिंक्स रेडियो फ्रीक्वेंसी सिस्टम-ऑन-चिप (Xilinx RFSoC) पर चलता है। यह चिप एक शक्तिशाली हार्डवेयर है जो एक तेज़ कंप्यूटर प्रोसेसर को उच्च गति वाले डिजिटल-टू-एनालॉग कन्वर्टर्स के साथ जोड़ता है, जो कि एक ही बोर्ड पर होता है और जिसकी लागत प्रति चैनल लगभग एक हजार डॉलर है, जो पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में बहुत कम है।
स्पिनQICK सॉफ्टवेयर इन अंतःक्रियाओं की जटिलता को वास्तविक समय (real time) में संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह अत्यधिक गति के साथ विद्युत पल्स उत्पन्न कर सकता है और महत्वपूर्ण रूप से, यह डॉट्स के बीच अनचाहे क्रॉसटॉक को रद्द करने के लिए उन पल्सों को स्वचालित रूप से समायोजित कर सकता है। शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का उपयोग तीन क्वांटम डॉट्स के त्रिकोणीय सरणी (triangular array) को संचालित करने के लिए किया, जो पिछले अधिकांश प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली सीधी रेखा वाली व्यवस्थाओं की तुलना में अधिक लचीलापन प्रदान करता है। एक त्रिकोण में, प्रत्येक डॉट प्रत्येक अन्य डॉट से जुड़ा होता है, जिससे आंदोलनों की एक विस्तृत श्रृंखला और त्रुटियों के विरुद्ध अधिक मजबूत सुरक्षा मिलती है। टीम ने दिखाया कि उनका सिस्टम "कोहेरेंट कंट्रोल" (coherent control) कर सकता है, जिसका अर्थ है कि वे इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम अवस्था को घुमा सकते हैं और बिना सूचना खोए उसे एक विशिष्ट बिंदु पर वापस ला सकते हैं। उन्होंने इसे सिस्टम में दोलन (oscillations) पैदा करके प्रदर्शित किया, प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों को एक अनुमानित पैटर्न में विभिन्न अवस्थाओं के बीच आगे-पीछे झुलाया।
अपने सिस्टम की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'डायनामिकल डिकपलिंग' (dynamical decoupling) नामक एक तकनीक का उपयोग किया। यह एक ऐसी विधि है जहाँ क्यूबिट पर तीव्र पल्स का एक क्रम लागू किया जाता है ताकि पर्यावरणीय शोर के प्रभावों को रद्द किया जा सके, ठीक वैसे ही जैसे नॉइज़-कैंसलिंग हेडफ़ोन ध्वनि तरंगों का उपयोग करके पृष्ठभूमि के शोर को शांत करते हैं। पल्स के विभिन्न अनुक्रमों का उपयोग करके, टीम अपने डिवाइस को प्रभावित करने वाले दो अलग-अलग प्रकार के शोर को अलग करने में सक्षम हुई। एक प्रकार सामग्री के भीतर परमाणुओं के चुंबकीय क्षेत्रों से आता है, जो डिवाइस की एक प्राकृतिक और अपरिहार्य विशेषता है। दूसरा प्रकार स्वयं नियंत्रण प्रणाली से आता है, विशेष रूप से डॉट्स को भेजी जाने वाली वोल्टेज में उतार-चढ़ाव से। उनके डिवाइस के त्रिकोणीय आकार ने उन्हें एक अद्वितीय पल्स अनुक्रम डिजाइन करने की अनुमति दी जो चुंबकीय शोर से विद्युत शोर को अलग कर सकता था, जो पुराने, रैखिक डिजाइनों के साथ संभव नहीं था।
परीक्षणों के परिणामों ने सिस्टम के प्रदर्शन की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान की। जब उन्होंने प्रयोग चलाए, तो क्वांटम बिट्स का व्यवहार कंप्यूटर सिमुलेशन के लगभग पूरी तरह से मेल खाया, जिससे पुष्टि हुई कि स्पिनQICK प्लेटफॉर्म आवश्यक सटीकता के साथ निर्देशों का निष्पादन कर रहा है। हालांकि, डेटा ने एक विशिष्ट समस्या भी उजागर की: समय के साथ विद्युत संकेत विचलित (drift) हो रहे थे। जबकि सिस्टम छोटे अंतराल के लिए अच्छी तरह से काम करता था, वोल्टेज स्तर मिनटों के दौरान धीरे-धीरे बदल रहे थे, जिससे क्वांटम अवस्था डगमगा रही थी। शोधकर्ताओं ने इस विचलन का कारण उन एम्पलीफायरों (amplifiers) को पाया जिनका उपयोग कंट्रोल चिप से क्वांटम डिवाइस तक संकेतों को बढ़ाने के लिए किया जाता था। ये एम्पलीफायर, जो मानक ऑफ-द-शेल्फ घटक हैं, उच्च-आवृत्ति वाले शोर और एक धीमी अस्थिरता (drift) पैदा कर रहे थे, जिससे सिस्टम को इनके आसपास काम करना पड़ता था। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि नियंत्रण प्रणाली हार्डवेयर के इन सूक्ष्म दोषों का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है।
यह शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि स्पिनQक् प्लेटफॉर्म सेमीकंडक्टर स्पिन क्यूबिट्स को नियंत्रित करने के लिए एक व्यवहार्य, कम लागत वाला विकल्प है। यह केवल मौजूदा उपकरणों का सस्ता संस्करण नहीं है; यह एक लचीला सिस्टम है जो शोधकर्ताओं को कस्टम निर्देश प्रोग्राम करने और वास्तविक समय में सुधार करने की अनुमति देता है जो पहले लागू करना बहुत कठिन था। क्यूबिट का उपयोग स्वयं नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स से आने वाले शोर को मापने के लिए एक नैदानिक उपकरण (diagnostic tool) के रूप में करने की क्षमता एक शक्तिशाली नई क्षमता है। हालांकि टीम ने उल्लेख किया कि उनके वर्तमान सेटअप की दीर्घकालिक स्थिरता में सुधार की आवश्यकता है, जो संभवतः एम्पलीफायरों को अपग्रेड करके किया जा सकता है, यह कार्य एक स्पष्ट मार्ग स्थापित करता है। उच्च-प्रदर्शन वाले क्वांटम नियंत्रण को सुलभ बनाकर और हार्डवेयर संबंधी समस्याओं की पहचान करने तथा उन्हें ठीक करने का तरीका प्रदान करके, यह शोध व्यावहारिक, स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटर बनाने की दिशा में इस क्षेत्र को आगे बढ़ने में मदद करता है।
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