Quantum Simulation of Electronic Structure using Quantum Density Functional Theory on a Programmable Integrated Photonic Circuit

परमाणुओं के चारों ओर इलेक्ट्रॉन खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, इसे समझना आधुनिक रसायन विज्ञान की नींव है। यह नए पदार्थों को डिजाइन करने, अधिक कुशल बैटरी बनाने और बेहतर दवाएं विकसित करने की कुंजी है। दशकों से, वैज्ञानिक इन व्यवस्थाओं की भविष्यवाणी करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटरों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन जैसे-जैसे अणु बड़े होते जाते हैं, गणित अविश्वसनीय रूप से जटिल होता जाता है। हर इलेक्ट्रॉन संपर्क का वर्णन करने के लिए आवश्यक गणनाओं की संख्या तेजी से (एक्सपोनेंशियल रूप से) बढ़ती है, जिससे कुछ ही परमाणुओं से परे किसी भी चीज़ का पूर्ण सटीकता के साथ अनुकरण (सिमुलेशन) करना कठिन हो जाता है। जबकि शास्त्रीय कंप्यूटरों ने अनुमानों का उपयोग करके बड़ी प्रगति की है, एक नया दृष्टिकोण उभरा है जो स्वयं क्वांटम मैकेनिक्स के नियमों का उपयोग करके इस समस्या को हल करने का प्रयास करता है। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के जटिल अंतःक्रियाओं को सीधे सिम्युलेट करने के बजाय, यह विधि समस्या को एक सरल संस्करण में पुनर्गठित करती है जो व्यक्तिगत पथों के बजाय इलेक्ट्रॉनों के घनत्व (डेंसिटी) को ट्रैक करती है। यह बदलाव एक बहुत अधिक कुशल गणना की अनुमति देता है, जिसमें समान प्रणाली का वर्णन करने के लिए बहुत कम संसाधनों की आवश्यकता होती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक वास्तविक, काम करने वाली मशीन पर इस कुशल विधि का परीक्षण करके एक महत्वपूर्ण कदम आगे बढ़ाया है। उन्होंने एक विशेष उपकरण का उपयोग करके लिथियम हाइड्राइड अणु की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का सफलतापूर्वक अनुकरण किया, जो एक सरल यौगिक है जो एक लिथियम परमाणु और एक हाइड्रोजन परमाणु से बना है, जिसे प्रकाश से बने एक विशेष उपकरण द्वारा संचालित किया गया। यह प्रयोग एक प्रोग्राम करने योग्य इंटीग्रेटेड फोटोनिक सर्किट पर आयोजित किया गया था, जो एक ऐसा चिप है जो प्रकाश के व्यक्तिगत कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, को सूक्ष्म मार्गों के नेटवर्क के माध्यम से निर्देशित करता है। इन फोटॉनों में समस्या को एनकोड करके, शोधकर्ता इस अणु की सबसे स्थिर अवस्था, जो इसकी न्यूनतम ऊर्जा अवस्था के अनुरूप है, को खोजने में सक्षम हुए। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि प्रकाश का उपयोग करने वाले हार्डवेयर पर जटिल रासायनिक सिमुलेशन चलाना संभव है, जो पारंपरिक कंप्यूटरों के लिए वर्तमान में पहुंच से बाहर की समस्याओं को हल करने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।

अणुओं के अनुकरण में चुनौती चरों (वेरिएबल्स) की विशाल संख्या में निहित है। मानक विधियों का उपयोग करके उच्च सटीकता के साथ एक अणु का वर्णन करने के लिए, एक कंप्यूटर को प्रत्येक संभावित कक्षक (ऑर्बिटल) के लिए एक अलग मेमोरी यूनिट, या क्यूबिट की आवश्यकता होती है जहाँ एक इलेक्ट्रॉन मौजूद हो सकता है। एक छोटे से अणु के लिए भी, यह आवश्यकता वर्तमान तकनीक की क्षमताओं से बहुत जल्दी बाहर हो जाती है। शोधकर्ताओं ने इस बाधा को दूर करने के लिए 'क्वांटम डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी' नामक तकनीक का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों की कठिन समस्या को एक गैर-परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों की सरल समस्या में बदल देता है जो एक प्रभावी क्षेत्र (फील्ड) में चलते हैं। महत्वपूर्ण लाभ यह है कि आवश्यक क्यूबिट की संख्या कक्षकों की संख्या के साथ नहीं बढ़ती है, बल्कि उस संख्या के लघुगणक (लॉगारिदम) के साथ बढ़ती है। चार इलेक्ट्रॉनों वाले लिथियम हाइड्राइड अणु के लिए, इस विधि ने आवश्यकता को एक दर्जन क्यूबिट से घटाकर केवल दो कर दिया। संसाधनों की इस भारी कमी ने इस फोटोनिक हार्डवेयर पर सिमुलेशन चलाना संभव बना दिया।

प्रयोग करने के लिए, टीम ने एकल फोटॉन के स्रोत को एक जटिल कांच के चिप के साथ जोड़ने वाला एक सिस्टम बनाया। फोटॉन एक क्वांटम डॉट द्वारा उत्पन्न किए गए थे, जो एक अर्धचालक संरचना है जो लेजर से टकराने पर प्रकाश का एक कण उत्सर्त करती है। इन फोटॉनों को फिर एक कांच के चिप में निर्देशित किया गया जहाँ वे वेवगाइड्स के एक नेटवर्क के माध्यम से यात्रा करते हैं। चिप को पूरी तरह से प्रोग्राम करने योग्य बनाया गया था, जिससे शोधकर्ता गणना करने के लिए प्रकाश के पथ और चरण (फेज) को समायोजित करने में सक्षम हुए। प्रयोग के मूल में 'वेरिएशनल क्वांटम आइजनसोल्वर' नामक एक एल्गोरिदम शामिल था, जो सिस्टम की ऊर्जा को न्यूनतम करने वाली संरचना खोजने के लिए सर्किट की सेटिंग्स को बार-बार समायोजित करके काम करता है। इस विशिष्ट मामले में, एल्गोरिदम को न केवल निम्नतम ऊर्जा अवस्था खोजने के लिए, बल्कि पहली उत्तेजित अवस्था (एक्साइटेड स्टेट) खोजने के लिए भी अनुकूलित किया गया था, जिससे शोधकर्ताओं को अणु के इलेक्ट्रॉन घनत्व का पुनर्निर्माण करने में मदद मिली।

शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों को सत्यापित करने के लिए तीन अलग-अलग तरीकों से सिमुलेशन चलाया। सबसे पहले, उन्होंने एक सैद्धांतिक आधार स्थापित करने के लिए एक शास्त्रीय कंप्यूटर पर एक आदर्श, शोर-रहित (नॉइलेस) सिमुलेशन किया। दूसरा, उन्होंने एक सिमुलेशन चलाया जिसमें उनके वास्तविक हार्डवेयर की ज्ञात खामियां शामिल थीं, जैसे कि फोटॉनों के बीच मामूली अंतर और कणों को गिनने की सीमित संख्या। अंत में, उन्होंने वास्तविक फोटोनिक चिप पर प्रयोग को निष्पादित किया। शोर-रहित सिमुलेशन ने सैद्धांतिक संदर्भ के साथ लगभग पूरी तरह से मिलान किया, जिससे पुष्टि हुई कि एल्गोरिदम और दो क्यूबिट का मैपिंग सही था। हार्डवेयर शोर वाला सिमुलेशन यह दर्शाता है कि विधि मजबूत बनी रही, हालांकि सटीकता थोड़ी कम हो गई। वास्तविक दुनिया के प्रयोग ने फोटोनिक चिप पर गुणात्मक रूप से सही समाधान प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि इसने अणु की आवश्यक रासायनिक विशेषताओं, जैसे कि लिथियम से हाइड्रोजन की ओर आवेश के हस्तांतरण को कैप्चर किया।

हालाँकि, प्रायोगिक परिणाम अणु के आयनिक बंधन का पूर्ण रूप से वर्णन करने के लिए अभी भी पर्याप्त सटीक नहीं थे। डेटा ने दिखाया कि जबकि सामान्य व्यवहार सही था, इलेक्ट्रॉन वितरण का विवरण थोड़ा विकृत था। शोधकर्ताओं ने पहचान की कि त्रुटियों के प्राथमिक स्रोत यह तथ्य थे कि फोटॉन एक-दूसरे के बिल्कुल समान नहीं थे और कणों की एक सीमित संख्या को गिनने में निहित सांख्यिकीय शोर था। इन सीमाओं के बावजूद, प्रयोग ने सिद्ध किया कि दृष्टिकोण काम करता है। टीम ने पाया कि विधि शोर की उपस्थिति में भी सही ग्राउंड स्टेट खोजने के लिए रासायनिक अवस्थाओं के जटिल परिदृश्य को सफलतापूर्वक नेविगेट कर सकती है। यह सफलता बताती है कि हार्डवेयर में सुधार के साथ, विशेष रूप से बेहतर फोटॉन स्रोतों और सर्किट में कम नुकसान के साथ, इस तकनीक को बड़े और अधिक रासायनिक रूप से प्रासंगिक अणुओं के अनुकरण के लिए बढ़ाया जा सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक एकल अणु के अनुकरण तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने इस बात पर प्रकाश डाला कि इस क्यूबिट-कुशल दृष्टिकोण को अंततः तकनीकी महत्व की प्रणालियों, जैसे कि लिथियम-आयन बैटरी में पाए जाने वाले जटिल इंटरफेस पर लागू किया जा सकता है। बैटरी के इलेक्ट्रोलाइट और इसके इलेक्ट्रोड के बीच की सीमा पर इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं, इसका अनुकरण करके, वैज्ञानिक इस बात की गहरी समझ प्राप्त कर सकते हैं कि बैटरी समय के साथ क्यों खराब होती है या इसे तेजी से चार्ज क्यों नहीं किया जा सकता है। इन प्रक्रियाओं को उच्च सटीकता के साथ मॉडल करने की क्षमता अगली पीढ़ी के ऊर्जा भंडारण समाधानों के विकास को गति दे सकती है। जबकि वर्तमान प्रयोग एक छोटे अणु तक सीमित था, पुनर्गठित फोटोनिक हार्डवेयर के साथ एक कुशल एल्गोरिदम का सफल एकीकरण भविष्य की प्रगति के लिए एक स्पष्ट मार्ग स्थापित करता है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि प्रकाश-आधारित क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम रसायन विज्ञान की कठिन समस्याओं को हल करने के लिए एक व्यवहार्य मंच हैं, बशर्ते कि हार्डवेयर बड़े सिस्टम की मांगों को पूरा करने के लिए विकसित होता रहे।