Transistors to transmons: large-scale cryogenic CMOS control of superconducting qubits
यह शोध पत्र एक स्केलेबल हाइब्रिड क्वांटम कंट्रोल आर्किटेक्चर को प्रदर्शित करता है जो टू-क्यूबिट फ्लक्स कंट्रोल के लिए क्रायोजेनिक CMOS ASICs को सिंगल-क्यूबिट ऑपरेशंस के लिए रूम-टेम्परेचर इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ एकीकृत करता है, जिससे 156-क्यूबिट प्रोसेसर पर हाई-फिडेलिटी गेट परफॉरमेंस प्राप्त होती है और साथ ही सिस्टम फुटप्रिंट में उल्लेखनीय कमी आती है और बड़े पैमाने पर सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए वायरिंग बाधाओं को दूर किया जाता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल ऑर्केस्ट्रा संचालित करने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ प्रत्येक संगीतकार (एक क्वांटम बिट, या "क्यूबिट") को सही नोट बजाने के लिए एक बहुत ही विशिष्ट, सूक्ष्म धक्के (nudge) की आवश्यकता होती है। एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर में, ये धक्के दो प्रकार के होते हैं:
- "सोलो" धक्के (The "Solo" Nudges): हाई-स्पीड रेडियो तरंगें जो एक अकेले क्यूबिट को यह बताने के लिए हैं कि उसे क्या करना है।
- "ड्यूट" धक्के (The "Duet" Nudges): सटीक चुंबकीय धाराएं जो दो क्यूबिट्स को आपस में बात करने और उलझने (entangle होने) के लिए प्रेरित करती हैं।
समस्या यह है कि जैसे-जैसे आप ऑर्केस्ट्रा में अधिक संगीतकारों को जोड़ते हैं (लाखों क्यूबिट्स तक स्केल करते हैं), "ड्यूट" धक्के एक बाधा बन जाते हैं। आप अंततः एक ठंडे कंट्रोल रूम से एक ठंडी मशीन के नीचे हजारों तार चलते हुए देखते हैं। यह तारों का एक उलझा हुआ जाल बना देता है, बहुत अधिक जगह घेर लेता है, और बहुत महंगा पड़ता है।
यह शोध पत्र एक समाधान प्रस्तुत करता है: "ड्यूट" नियंत्रकों को फ्रीजर के अंदर ले जाना।
पुराना तरीका: लंबी यात्रा (The Old Way: The Long Commute)
वर्तमान में, अधिकांश क्वांटम कंप्यूटर "रूम-टेम्परेचर" दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। कल्पना करें कि नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स एक विशाल सर्वर रैक की तरह है जो एक गर्म कार्यालय भवन में स्थित है। क्यूबिट्स तक पहुँचने के लिए, जो एक अत्यंत ठंडे फ्रिज (परम शून्य के करीब) में रहते हैं, नियंत्रण संकेतों को एक लंबे, घुमावदार सुरंग से होकर गुजरना पड़ता है।
- समस्या: प्रत्येक एकल क्यूबिट के लिए, आपको एक समर्पित तार की आवश्यकता होती है। यदि आपके पास दस लाख क्यूबिट हैं, तो आपको दस लाख तारों की आवश्यकता होगी। यह एक ही संकीर्ण स्ट्रॉ (नली) के माध्यम से दस लाख लोगों को खिलाने की कोशिश करने जैसा है। यह महंगा है, भारी है, और लंबी तारों के कारण संकेत विकृत हो जाते हैं, जिससे संगीत बेसुरा सुनाई देने लगता है।
नया तरीका: क्रायो-सीएमओएस "लोकल मैनेजर" (The New Way: The Cryo-CMOS "Local Manager")
IBM के शोधकर्ताओं ने एक नया सिस्टम बनाया है जो काम को इस आधार पर विभाजित करता है कि काम करने के लिए सबसे उपयुक्त जगह कहाँ है:
- "सोलो" कार्य (कमरे का तापमान): एकल क्यूबिट्स के लिए उच्च-शक्ति वाली रेडियो तरंगें गर्म कार्यालय में ही रहती हैं। वे बहुत अधिक बिजली की खपत करती हैं, इसलिए उन्हें फ्रिज के अंदर चलाना संभव नहीं है।
- "ड्यूट" कार्य (फ्रिज के अंदर): शोधकर्ताओं ने एक विशेष माइक्रोचिप बनाई जिसे क्रायो-सीएमओएस (Cryo-CMOS) कहा जाता है, जो ठंडे फ्रिज के अंदर जीवित रह सकती है। उन्होंने इन चिप्स को फ्रिज के अंदर एक शेल्फ पर रखा, जो क्यूबिट्स के बहुत करीब है।
उपमा (Analogy): कल्पना कीजिए कि एक बड़ा कार्यालय भवन है।
- पुराना तरीका: प्रत्येक कर्मचारी को अपने कागजात पर एक विशिष्ट स्टैम्प लेने के लिए बेसमेंट तक पैदल जाना पड़ता है, और फिर वापस ऊपर आना पड़ता है। गलियारे लोगों से भरे रहते हैं।
- नया तरीका: शोधकर्ताओं ने हर मंजिल पर एक "स्टैम्पिंग स्टेशन" लगा दिया है। अब, कर्मचारी अपने कागजात स्टैम्प कराने के लिए केवल कुछ कदम ही चलते हैं। गलियारे खाली हैं, प्रक्रिया तेज़ है, और लंबी यात्रा के दौरान कागजात के मुड़ने या खराब होने की संभावना कम है।
उन्होंने वास्तव में क्या हासिल किया
टीम ने इस नए "लोकल मैनेजर" सिस्टम का परीक्षण 156-क्यूबिट क्वांटम प्रोसेसर (एक मशीन जिसे हेरॉन R2 कहा जाता है) पर किया। यहाँ उनके निष्कर्ष दिए गए हैं:
- यह उतना ही अच्छा काम करता है: भले ही नए चिप्स ठंडे फ्रिज के अंदर चल रहे हों, उन्होंने "ड्यूट" नोट्स की गुणवत्ता को खराब नहीं किया। वास्तव में, वे पुराने रूम-टेम्परेचर सिस्टम जितने ही सटीक थे। त्रुटि दर (error rate) अविश्वसनीय रूप से कम थी (10,000 प्रयासों में लगभग 8 त्रुटियां)।
- यह लचीला है: उन्होंने फ्रिज के अंदर विभिन्न तापमानों (परम शून्य से 7 डिग्री से 20 डिग्री ऊपर) पर चिप्स का परीक्षण किया। चिप्स ने इस पूरी रेंज में पूरी तरह से काम किया। यह एक अच्छी खबर है क्योंकि फ्रिज का "गर्म" हिस्सा (लगभग 20 डिग्री) बहुत अधिक कूलिंग पावर उपलब्ध कराता है, जिसका अर्थ है कि आप ओवरहीट किए बिना एक ही फ्रिज में कई अधिक चिप्स पैक कर सकते हैं।
- यह जगह बचाता है: नियंत्रकों को अंदर ले जाकर, उन्होंने तारों की संख्या को बहुत बड़ी मात्रा में कम कर दिया। उन्होंने दिखाया कि यह दृष्टिकोण नियंत्रण प्रणाली के भौतिक आकार (physical footprint) को दस गुना तक कम कर सकता है।
- यह स्थिर है: उन्होंने 40 घंटों से अधिक समय तक लगातार सिस्टम चलाया, और प्रदर्शन में कोई गिरावट या बदलाव नहीं आया।
मुख्य निष्कर्ष (The Bottom Line)
शोध पत्र का दावा है कि क्यूबट-टू-क्यूबिट इंटरैक्शन (फ्लक्स कंट्रोल) के लिए आवश्यक विशिष्ट नियंत्रकों को गर्म कमरे से ठंडे फ्रिज के अंदर ले जाकर, हम उन वायरिंग और स्थान की समस्याओं को हल कर सकते हैं जो वर्तमान में क्वांटम कंप्यूटरों को बड़ा होने से रोक रही हैं।
उन्होंने साबित किया है कि ये "ठंडे" चिप्स विश्वसनीय हैं, अतिरिक्त शोर (noise) पैदा नहीं करते हैं, और फ्रिज के अंदर थोड़े गर्म तापमान पर कुशलतापूर्वक काम कर सकते हैं। यह भविष्य के बड़े, फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग बनाता है, जिसके लिए हर एक क्यूबिट के लिए कंट्रोल रैक से भरा गोदाम रखने की आवश्यकता नहीं होगी।
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