Dissipative controller as a hidden source of errors in quantum gates
यह शोधपत्र यह प्रदर्शित करता है कि क्वांटम नियंत्रण में, शोर-प्रेरित त्रुटियों को दबाने के लिए शास्त्रीय नियंत्रकों द्वारा आवश्यक स्थूल अपव्यय (macroscopic dissipation) एक मौलिक समझौता (tradeoff) उत्पन्न करता है, जहाँ उच्च-निष्ठा वाले, तीव्र क्वांटम गेट प्राप्त करना अनिवार्य रूप से बढ़े हुए ऊर्जा अपव्यय की कीमत पर आता है।
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क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज सूक्ष्म जगत के विचित्र और नाजुक नियमों पर महारत हासिल करने की एक दौड़ है। इस क्षेत्र में, कण एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकते हैं, एक ऐसा गुण जो आज के सुपरकंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने का वादा करता है। इस शक्ति का उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को इन कणों को अत्यधिक सटीकता के साथ नियंत्रित करना होगा, जिसके लिए लेजर या चुंबकीय कुंडलियों जैसे बाहरी उपकरणों का उपयोग करके क्वांटम गेट नामक तार्किक संचालन (logical operations) किए जाते हैं। इन गेट्स को उन स्विचों के रूप में सोचें जो सूचना को चालू या बंद करते हैं, लेकिन साधारण ऑन-ऑफ अवस्थाओं के बजाय, उन्हें नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को एक विशिष्ट पथ पर निर्देशित करना होता है ताकि वे लड़खड़ा न जाएं। चुनौती यह है कि ये क्वांटम सिस्टम अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते; जरा सी भी गड़बड़ी गणना को बर्बाद कर सकती है। वर्षों से, शोधकर्ता इन नियंत्रणों को अधिक तेज़ और सटीक बनाने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, और अक्सर नियंत्रण उपकरणों को स्वयं पूर्ण, मौन उपकरण मान लेते हैं जो बस वही करते हैं जो उन्हें बताया जाता है।
हालाँकि, एक नया अध्ययन सुझाव देता है कि नियंत्रक (controller) का यह दृष्टिकोण अधूरा है। तुर्की, आयरलैंड और यूनाइटेड किंगडम के संस्थानों के शोधकर्ताओं का तर्क है कि क्वांटम कणों को निर्देशित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण स्वयं मौन नहीं हैं। क्योंकि ये नियंत्रण मशीनें साधारण पदार्थ से बनी मैक्रोस्कोपिक वस्तुएं हैं, इसलिए वे ऊष्मागतिकी (thermodynamics) के नियमों के अधीन हैं। कार्य करने के लिए, उन्हें अपने परिवेश में ऊर्जा को नष्ट (dissipate) करना पड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे एक कार का इंजन चलने पर गर्म हो जाता है। यह ऊर्जा का क्षय केवल एक दुष्प्रभाव नहीं है; यह उस शोर (noise) से अटूट रूप से जुड़ा हुआ है जो सिस्टम को प्रभावित करता है। टीम ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि नियंत्रक द्वारा बर्बाद की जाने वाली ऊर्जा और क्वांटम ऑपरेशन में होने वाली त्रुटियों के बीच क्या संबंध है। उन्होंने पाया कि नियंत्रक की अपनी गर्मी से उत्पन्न शोर गलतियों का एक छिपा हुआ स्रोत है, जो एक मौलिक समझौता (trade-off) पैदा करता है: एक क्वांटम गेट को अधिक सटीक बनाने के लिए, अक्सर ऊर्जा के उच्च स्तर का भुगतान करना पड़ता है।
शोधकर्ताओं ने इस संबंध को समझने के लिए एक मॉडल बनाया, जिसमें नियंत्रण उपकरण को एक सरल विद्युत परिपथ (electrical circuit) के रूप में माना गया। उनके सिमुलेशन में, एक क्वांटम बिट को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने हेतु एक कुंडली (coil) के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है। चूंकि परिपथ में विद्युत प्रतिरोध होता है, इसलिए यह स्वाभाविक रूप से गर्मी पैदा करता है, और यह गर्मी करंट में सूक्ष्म, यादृच्छिक उतार-चढ़ाव (fluctuations) पैदा करती है। ये उतार-चढ़ाव एक शोर भरे बैकग्राउंड सिग्नल के रूप में कार्य करते हैं जो उस सटीक निर्देश में हस्तक्षेप करते हैं जिसका क्वांटम सिस्टम पालन करने की कोशिश कर रहा है। टीम ने यह गणना की कि नियंत्रक चलते समय कितनी "एन्ट्रॉपी" (entropy), या अव्यवस्था पैदा करता है, और यह अव्यवस्था क्वांटम गेट की गुणवत्ता को कैसे कम करती है। उन्होंने पाया कि दोनों एक गहरे संबंध में बंधे हैं। नियंत्रक अपने आंतरिक उतार-चढ़ाव को दबाने और एक स्थिर सिग्नल बनाए रखने के लिए जितनी अधिक ऊर्जा नष्ट करेगा, क्वांटम गेट में उतनी ही कम त्रुटियां दिखाई देंगी। इसके विपरीत, यदि नियंत्रक कम ऊर्जा क्षय के साथ काम करने की कोशिश करता है, तो शोर बढ़ जाता है और गेट कम विश्वसनीय हो जाता है।
इस समझौते का परीक्षण दो विशिष्ट परिदृश्यों में किया गया ताकि देखा जा सके कि यह व्यवहार में कैसे काम करता है। सबसे पहले, टीम ने सरल क्वांटम गेट्स को देखा, जो क्वांटम लॉजिक के बुनियादी निर्माण खंड हैं। उन्होंने इन गेट्स को चालू और बंद करने के विभिन्न तरीकों का अनुकरण किया, जिसमें ऑपरेशन की गति को बदला गया। उन्होंने पाया कि तेज़ ऑपरेशन्स के लिए, जो दक्षता के लिए वांछनीय हैं, एक स्पष्ट लागत होती है। कम समय में उच्च निष्ठा (fidelity), या सटीकता प्राप्त करने के लिए, नियंत्रक को शोर को कम रखने के लिए पर्याप्त मात्रा में ऊर्जा नष्ट करनी पड़ती है। यदि नियंत्रक ऊर्जा बचाने की कोशिश करता है, तो गेट अधिक बार विफल हो जाता है। दूसरे परिदृश्य में, "शॉर्टकट टू एडियाबैटिसिटी" (shortcut to adiabaticity) नामक एक अधिक जटिल प्रक्रिया शामिल थी, जो एक क्वांटम सिस्टम को एक अवस्था से दूसरी अवस्था में बहुत तेज़ी से ले जाने के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीक है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने फिर से देखा कि सबसे तेज़ और सबसे सटीक स्थानांतरण के लिए नियंत्रक को अधिक कठिन परिश्रम करने और अधिक एन्ट्रॉपी उत्पन्न करने की आवश्यकता थी। धीमी प्रक्रियाओं में, यह संबंध कम सख्त था, लेकिन क्वांटम कंप्यूटिंग में अन्य त्रुटियों के स्रोतों से बचने के लिए तेज़ नियंत्रण आम तौर पर पसंद किया जाता है, जिससे यह ऊर्जा-त्रुटि समझौता भविष्य के डिजाइनों के लिए एक महत्वपूर्ण कारक बन जाता है।
यह अध्ययन इस समस्या को हल करने का दावा नहीं करता है, न ही यह सुझाव देता है कि हम इस लागत को आसानी से समाप्त कर सकते हैं। इसके बजाय, यह एक मात्रात्मक मानचित्र प्रदान करता है, जो दिखाता है कि एक क्लासिकल कंट्रोलर के उतार-चढ़ाव को नियंत्रित करने के लिए कितने ऊर्जा क्षय की आवश्यकता है। लेखकों ने इन अंतःक्रियाओं को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि त्रुटियां केवल यादृच्छिक दुर्भाग्य नहीं हैं बल्कि नियंत्रण हार्डवेयर की ऊष्मागतिकी का सीधा परिणाम हैं। उनका कार्य संकेत देता है कि जैसे-जैसे हम क्वांटम कंप्यूटरों को उच्च गति और अधिक जटिलता की ओर ले जाएंगे, हम उन्हें चलाने वाली मशीनों द्वारा उत्पन्न गर्मी को अनदेखा नहीं कर सकते। बेहतर क्वांटम कंप्यूटरों का मार्ग न केवल स्मार्ट एल्गोरिदम की आवश्यकता रखता है, बल्कि इस गहरी समझ की भी आवश्यकता है कि कैसे क्लासिकल दुनिया की ऊर्जा नष्ट करने की आवश्यकता क्वांटम दुनिया की गणना करने की क्षमता को आकार देती है। यह स्वीकार करके कि नियंत्रक शोर का एक स्रोत है, इंजीनियर ऐसे सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं जो गति की आवश्यकता और शोर को दूर रखने की अनिवार्य लागत के बीच संतुलन बना सकें।
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