All-to-All Connectivity in Superconducting Qubits via Metamaterial-Mediated Interactions
यह शोध पत्र क्वांटम LDPC कोड के लिए स्केलेबल ऑल-टू-ऑल क्वबिट कनेक्टिविटी प्राप्त करने हेतु ड्यूल-रेल या स्पिन-लॉक्ड ट्रांसमोन का उपयोग करते हुए एक मेटा-मटेरियल-मध्यस्थ आर्किटेक्चर प्रस्तावित करता है, जो हार्डवेयर स्तर पर स्प्यूरियस स्पेक्टेटर एंटेंगल्मेंट को प्रभावी रूप से दबाते हुए उच्च-फिडेलिटी एंटेंगलिंग गेट्स और जॉइंट पैरिटी मेजरमेंट्स को प्रदर्शित करता है जो मुख्य रूप से फोटॉन लॉस और मोड क्राउडिंगिंग द्वारा सीमित हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखक ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
आज की किसी भी मशीन की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाला कंप्यूटर बनाने के लिए एक सूक्ष्म संतुलन की आवश्यकता होती है। इन मशीनों के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवार क्वांटम कंप्यूटर हैं, जो सूचना को संसाधित करने के लिए भौतिकी के विचित्र नियमों का उपयोग करते हैं, जिसे क्लासिकल बिट्स नहीं कर सकते। हालाँकि, ये मशीनें अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं; वातावरण से होने वाली मामूली सी गड़बड़ी भी उनकी गणनाओं को अस्त-व्यस्त कर सकती है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक त्रुटि सुधार (error correction) का उपयोग करते हैं, जो एक ऐसी विधि है जहाँ कई भौतिक घटक सूचना के एक एकल टुकड़े की रक्षा के लिए मिलकर काम करते हैं। सबसे आम दृष्टिकोण, जिसे 'सरफेस कोड' के रूप में जाना जाता है, अच्छा काम करता है लेकिन यह अक्षम है, क्योंकि इसमें सूचना की केवल एक विश्वसनीय इकाई बनाने के लिए हजारों भौतिक भागों की आवश्यकता होती है। एक अलग प्रकार के कोड का उपयोग करके एक अधिक कुशल मार्ग मौजूद है, लेकिन इसके लिए उस स्तर की कनेक्टिविटी की आवश्यकता होती है जो वर्तमान मशीनें आसानी से प्रदान नहीं कर सकतीं: यह क्षमता कि कंप्यूटर का कोई भी हिस्सा दूरी की परवाह किए बिना किसी भी दूसरे हिस्से से सीधे बात कर सके।
सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर, जो परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडे किए गए सूक्ष्म सर्किटों का उपयोग करते हैं, इस तकनीक के लिए एक अग्रणी मंच हैं। वे स्वाभाविक रूप रूप से अपने पड़ोसियों से अच्छी तरह जुड़ते हैं, लेकिन दूर के हिस्सों को जोड़ने के लिए आमतौर पर जटिल वायरिंग या एक साझा चैनल के माध्यम से सूचना स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। यह साझा चैनल, जो अक्सर एक रेज़ोनेटर (resonotator) होता है, एक समस्या पैदा करता है: जब सिस्टम का एक हिस्सा सक्रिय होता है, तो वह अनजाने में पास के अन्य सभी शांत हिस्सों को बाधित करता है, जिससे ऐसी त्रुटियां उत्पन्न होती हैं जिन्हें ठीक करना कठिन होता है। AWS सेंटर फॉर क्वांटम कंप्यूटिंग और हिब्रू यूनिवर्सिटी ऑफ जेरूसलम के शोधकर्ताओं ने एक नया आर्किटेक्चर प्रस्तावित किया है जो इस विशिष्ट समस्या को हल करता है। सूचना की बुनियादी इकाइयों को बनाने के तरीके पर पुनर्विचार करके, उन्होंने एक ऐसा तरीका दिखाया है जिससे कई क्यूबिट्स (qubits) को एक साझा माध्यम से बिना किसी अवांछित दुष्प्रभाव के जोड़ा जा सकता है, जिसने पहले स्केलेबिलिटी को सीमित किया था।
शोधकर्ताओं ने एक संरचना पर ध्यान केंद्रित किया जिसे मेटामटेरियल वेवगाइड (metamaterial waveguide) कहा जाता है, जो अनिवार्य रूप से युग्मित रेज़ोनेटर्स (coupled resonators) की एक लंबी श्रृंखला है। यह श्रृंखला क्वांटम सूचना के लिए एक राजमार्ग की तरह कार्य करती है, जिससे सिग्नल किन्हीं भी दो बिंदुओं के बीच यात्रा कर सकते हैं। ऐसे राजमार्ग का उपयोग करने के पिछले प्रयासों में, किन्हीं दो क्यूबिट्स के बीच सिग्नल चलाने की क्रिया ने अनजाने में उसी श्रृंखला से जुड़े प्रत्येक अन्य निष्क्रिय क्यूबिट की आवृत्ति (frequency) को बदल दिया। इसने अनचाहे एंटैंगलमेंट (entanglement) का एक जाल बना दिया, जहाँ "स्पेक्टेटर" (दर्शक) क्यूबिट्स भ्रमित हो गए और सक्रिय गेट के साथ उलझ गए, जिससे गणना खराब हो गई। इसे ठीक करने के लिए, पिछले तरीकों में हस्तक्षेप को रद्द करने के लिए जटिल, सक्रिय पल्स अनुक्रमों (pulse sequences) की आवश्यकता होती थी, जो एक ऐसी प्रक्रिया थी जो क्यूबिट्स की संख्या बढ़ने के साथ तेजी से कठिन होती गई।
यह नया कार्य एक अलग रणनीति पेश करता है: हस्तक्षेप को होने के बाद रद्द करने के बजाय, शोधकर्ता इसे होने से पहले ही रोकने के लिए क्यूबिट्स की प्रकृति को बदलकर इसे रोकते हैं। वे प्रत्येक लॉजिकल क्यूबिट को एक साथ काम करने वाले सुपरकंडक्टिंग सर्किट के जोड़े के रूप में एनकोड करते हैं, जिसे 'डुअल-रेल ट्रांसमोन' (dual-rail transmon) नामक विन्यास कहा जाता है। यह जोड़ी एक सुरक्षात्मक अंतराल (protective gap) बनाती है जो साझा वेवगाइड के साथ अनचाहे संपर्क को स्वाभाविक रूप से दबा देती है। सिमुलेशन में, इस हार्डवेयर-स्तरीय सुरक्षा ने विघटनकारी कपलिंग को एक महत्वपूर्ण अंतर तक कम कर दिया, जिससे यह स्तर प्राप्त हुआ जहाँ सक्रिय रद्दीकरण अब अनिवार्य नहीं रह गया। परिणाम एक ऐसा सिस्टम है जहाँ अनचाहे शोर को सॉफ्टवेयर से लड़ने के बजाय स्रोत पर ही दबा दिया जाता है।
इस सुरक्षा के साथ, शोधकर्ताओं ने पूरी श्रृंखला में दो-क्यूबिट ऑपरेशंस और संयुक्त मापन (joint measurements) करने का प्रदर्शन किया। वेवगाइड में एक विशिष्ट टू-टोन ड्राइव (two-tone drive) लागू करके, वे क्यूबिट्स के किसी भी जोड़े के बीच परस्पर क्रिया को सक्रिय कर सकते थे। यह परस्पर क्रिया उन्हें एक गेट करने की अनुमति देती है जो दो क्यूबिट्स को एंटैंगल करता है, जो कि गणना के लिए एक मौलिक कदम है। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि सिस्टम एक मेटामटेरियल पर बना है जिसमें कई अलग-अलग मोड हैं, विभिन्न आवृत्तियों के माध्यम से क्यूबिट्स के विभिन्न जोड़ों को समानांतर में संबोधित किया जा सकता है। इसका मतलब है कि कंप्यूटर एक साथ कई ऑपरेशन चला सकता है, जो उन उन्नत त्रुटि-सुधार कोडों की दक्षता के लिए आवश्यक विशेषता है जिनका लक्ष्य शोधकर्ता रखते हैं।
टीम ने एक सिस्टम का सिमुलेशन किया जहाँ दो डुअल-रेल क्यूबिट्स ने 30 माइक्रोसेकंड के विशिष्ट जीवनकाल वाले तीन रेज़ोनेटर्स की एक श्रृंखला को साझा किया। इन सिमुलेशन में, गेट ऑपरेशन 1.4 × 10⁻³ की इन्फिडेलिटी (infidelity) तक पहुँच गया, जिसका अर्थ है कि त्रुटि दर बहुत कम थी। शेष त्रुटि का प्राथमिक स्रोत रेज़ोनेटर से फोटोन की हानि थी, जो हार्डवेयर की एक भौतिक सीमा है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि ऐरे का आकार एक समझौते (trade-off) द्वारा सीमित है: जैसे-जैसे श्रृंखला लंबी होती जाती है, उपलब्ध मोड के बीच आवृत्ति अंतराल कम होता जाता है, जिससे अपने पड़ोसियों को बाधित किए बिना एक अकेले जोड़े को लक्षित करना कठिन हो जाता है। हालांकि, रेज़ोनेटर्स के जीवनकाल और उनके बीच कपलिंग स्ट्रेंथ को बढ़ाकर, सिस्टम अधिक क्यूबिट्स को सहारा दे सकता है। एक परिदृश्य में जहाँ रेज़ोनेटर का जीवनकाल 150 माइक्रोसेकंड है, सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि एक एकल मेटामटेरियल 25 रेज़ोनेटर्स पर 13 क्यूबिट्स को एक सख्त त्रुटि बजट के भीतर होस्ट कर सकता है।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक एक पूरी तरह से कार्यात्मक क्वांटम कंप्यूटर बना लिया है, लेकिन यह एक स्पष्ट सैद्धांतिक और सिम्युलेटेड मार्ग प्रदान करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि डुअल-रेल फैशन में क्यूबिट्स को एनकोड करके, अनचाहे स्पेक्टेटर एंटैंगलमेंट की मौलिक बाधा को दूर किया जा सकता है। यह अगली पीढ़ी के त्रुटि-सुधार कोडों के लिए आवश्यक अत्यधिक कनेक्टेड आर्किटेक्चर के लिए सुपरकंडक्टिंग सर्किटों के उपयोग का द्वार खोलता है। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि इन मशीनों को स्केल करने की कुंजी केवल बेहतर घटक बनाने में नहीं है, बल्कि घटकों को बड़े पैमाने पर क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक कनेक्शनों के जटिल जाल के साथ स्वाभाविक रूप से संगत बनाने में है।
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