Towards Quantum Computation of Bulk FeO
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि *ab initio*-सूचित निम्न-ऊर्जा मॉडलों को सैंपल-आधारित क्वांटम डायगोनलाइज़ेशन (SQD) एल्गोरिदम के साथ संयोजित करने से मौजूदा क्वांटम हार्डवेयर पर सहसंबद्ध आयरन-ऑक्साइड प्रणालियों की सटीक ग्राउंड-स्टेट गणना संभव हो पाती है, जो कच्चे वेरिएशनल क्वांटम आइजनवैल्यू सॉल्वर (VQE) दृष्टिकोणों से बेहतर प्रदर्शन करती है।
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ग्रहों के गहरे केंद्रों में और दूर के तारों के प्रकाश में, आयरन ऑक्साइड (लोह ऑक्साइड) एक प्रमुख भूमिका निभाते हैं। ये सामग्रियां, जो तब बनती हैं जब लोहा ऑक्सीजन के साथ जुड़ता है, केवल जंग नहीं हैं; वे ऐसी जटिल प्रणालियाँ हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन इतनी मजबूती से परस्पर क्रिया करते हैं कि वे ऐसे व्यवहार उत्पन्न करते हैं जिनकी भविष्यवाणी मानक कंप्यूटर मॉडल के साथ करना असंभव है। दशकों से, वैज्ञानिक इन सामग्रियों के सटीक गुणों, जैसे कि उनकी चुंबकीय शक्ति या उनके प्रकाश को अवशोषित करने के तरीके, की गणना करने के लिए संघर्ष कर रहे हैं, क्योंकि इसमें शामिल गणित इतना विशाल हो जाता है कि सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटर भी इसे संभाल नहीं पाते। यहीं पर क्वांटम कंप्यूटिंग की कहानी शुरू होती है। सूचनाओं को रैखिक रूप से संसाधित करने वाले पारंपरिक कंप्यूटरों के विपरीत, क्वांटम कंप्यूटर कई संभावनाओं को एक साथ तलाशने के लिए भौतिकी के विचित्र नियमों का उपयोग करते हैं, जो इन कठिन इलेक्ट्रॉनिक पहेलियों को सुलझाने के लिए एक संभावित शॉर्टकट प्रदान करते हैं। हालाँकि, वर्तमान क्वांटम मशीनें अभी अपने शुरुआती चरणों में हैं, शोर युक्त (noisy) और आकार में सीमित हैं, जिससे यह स्पष्ट नहीं है कि क्या वे वास्तविक दुनिया की सामग्रियों के लिए आवश्यक भारी काम को संभालने में सक्षम हैं।
शोधकर्ताओं के एक दल ने हाल ही में यह परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया कि क्या ये उभरते हुए क्वांटेंट उपकरण एक विशिष्ट, चुनौतीपूर्ण मामले को संभाल सकते हैं: आयरन ऑक्साइड अणु। उन्होंने दो रूपों पर ध्यान केंद्रित किया, एक साधारण लोहे और ऑक्सीजन के परमाणुओं का जोड़ा, और दो लोहे और दो ऑक्सीजन के परमाणुओं का थोड़ा बड़ा क्लस्टर। समस्या को आज की मशीनों के लिए प्रबंधनीय बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने पहले 'डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी' नामक एक स्थापित पद्धति का उपयोग करके अणु के इलेक्ट्रॉनों का एक सरलीकृत मानचित्र तैयार किया। यह मानचित्र, जिसे 'लो-एनर्जी मॉडल' कहा जाता है, इस बात के आवश्यक भौतिकी को पकड़ता है कि इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं और एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, बिना परमाणु के आंतरिक भाग के हर एक विवरण को ट्रैक किए। फिर उन्होंने इस मॉडल को एक क्वांटम कंप्यूटर में डाला ताकि अणु की 'ग्राउंड स्टेट' (आधार अवस्था) ज्ञात की जा सके, जो उस प्रणाली की निम्नतम ऊर्जा विन्यास है जिसे वह धारण कर सकती है। यह अवस्था सामग्री के मौलिक गुणों, जैसे कि उसके चुंबकत्व को निर्धारित करती है।
शोधकर्ताओं ने इस ग्राउंड स्टेट को खोजने के लिए दो अलग-अलग रणनीतियों का उपयोग किया। पहली विधि, जिसे 'वेरिएशनल क्वांटम आइजनसॉल्वर' (Variational Quantum Eigensolver) के रूप में जाना जाता है, एक 'ट्रायल-एंड-एरर' (प्रयास और त्रुटि) प्रक्रिया की तरह कार्य करती है जहाँ क्वांटम कंप्यूटर एक समाधान का अनुमान लगाता है और एक क्लासिकल कंप्यूटर उसे परिष्कृत करने में मदद करता है। दूसरा दृष्टिकोण, जिसे 'सैंपल-बेस्ड क्वांटम डायगोनलाइजेशन' (Sample-based Quantum Diagonalization) कहा जाता है, क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग अंतिम उत्तर सीधे खोजने के लिए नहीं, बल्कि पहेली के सबसे महत्वपूर्ण टुकड़ों की पहचान करने के लिए करता है। यह क्वांटम अवस्था का एक स्नैपशॉट लेता है, सबसे महत्वपूर्ण विन्यासों का चयन करता है, और फिर उन विशिष्ट टुकड़ों को सटीक रूप से हल करने के लिए एक क्लासिकल कंप्यूटर को सौंप देता है। जब उन्होंने अकेले पहले तरीके का परीक्षण किया, तो यह 'केमिकल एक्यूरेसी' (रासायनिक सटीकता) के उच्च स्तर तक पहुँचने में संघर्ष कर गया, जो अणुओं के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए स्वर्ण मानक है। क्वांटम कंप्यूटर के शोर युक्त हार्डवेयर और समस्या की जटिलता ने इसे स्वयं पूर्ण उत्तर खोजने से रोक दिया।
हालाँकि, दूसरे तरीके ने उल्लेखनीय प्रभावशीलता प्रदर्शित की। क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग सबसे प्रासंगिक विन्यासों को चुनने और फिर शेष भाग को क्लासिकली हल करने के माध्यम से, टीम दोनों अणुओं के लिए सटीक ग्राउंड स्टेट ऊर्जा प्राप्त करने में सफल रही। सरल आयरन ऑक्साइड जोड़े के लिए, यह विधि आश्चर्यजनक दक्षता के साथ काम करती है, जिसने पूर्ण चित्र को पुनर्गठित करने के लिए संभावित अवस्थाओं के एक बहुत छोटे अंश का उपयोग किया। यहाँ तक कि बड़े, अधिक जटिल क्लस्टर के लिए भी, इस दृष्टिकोण ने सही चुंबकीय अवस्था की सफलतापूर्वक पहचान की, जो कि नौ-गुना (nine-fold) विन्यास निकला, जो कि कुछ पिछले उच्च-सटीक गणनाओं से भिन्न था जिन्होंने सात-गुना (seven-fold) अवस्था की भविष्यवाणी की थी। यह अंतर इसलिए उत्पन्न हुआ क्योंकि शोधकर्ताओं ने अपने मॉडलों में निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए विशिष्ट इंटरेक्शन पैरामीटर्स का उपयोग किया था, जो यह दर्शाता है कि ये प्रणालियाँ अपने सेटअप के विवरण के प्रति कितनी संवेदनशील होती हैं।
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि भले ही वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर अभी तक इन समस्याओं को पूरी तरह से स्वयं हल नहीं कर सकता है, लेकिन यह एक शक्तिशाली मार्गदर्शक के रूप में कार्य कर सकता है। जटिल अवस्थाओं को नमूना लेने (sampling) की क्वांटम मशीनों की क्षमता को क्लासिकल कंप्यूटरों की सटीकता के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक अब उन समस्याओं से निपटना शुरू कर सकते हैं जो पहले पहुंच से बाहर थीं। परिणाम बताते हैं कि यह हाइब्रिड दृष्टिकोण बल्क आयरन ऑक्साइड और अन्य 'स्ट्रॉन्गली कोरिलेटेड' सामग्रियों को समझने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। दोषरहित क्वांटम कंप्यूटरों की प्रतीक्षा करने के बजाय, शोधकर्ता अब इन अपूर्ण मशीनों का उपयोग गणनाओं को सूचित करने और उन्हें तेज करने के लिए कर सकते हैं, जिससे जटिल भूवैज्ञानिक और खगोलीय सामग्रियों के अनुकरण (simulation) का सपना वास्तविकता के एक कदम और करीब आ गया है।
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