Self-Correcting Toric-Code Memory in a Globally Controlled Rydberg Array

एक ऐसी मशीन बनाने की खोज में जो वर्तमान के किसी भी कंप्यूटर की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सके, वैज्ञानिक एक स्थिर क्वांटम मेमोरी बनाने के लिए दौड़ रहे हैं। इस मेमोरी को आसपास की दुनिया के निरंतर शोर के बावजूद, लंबे समय तक 'लॉजिकल क्यूबिट्स' नामक नाजुक सूचनाओं को सुरक्षित रखना होगा। इस शोर से बचने के लिए, मेमोरी त्रुटि सुधार (error correction) की एक प्रणाली पर निर्भर करती है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो लगातार गलतियों की जांच करती है और उन्हें फैलने से पहले ठीक करती है। दशकों से, इस समस्या के लिए अग्रणी दृष्टिकोण में एक जटिल दिनचर्या की आवश्यकता होती थी: सहायक परमाणुओं की स्थिति को मापना, उन्हें विभिन्न स्थानों पर ले जाना, और व्यक्तिगत परमाणुओं को लक्षित करने के लिए अत्यधिक केंद्रित लेजर का उपयोग करना। हालांकि इन मशीनों के बुनियादी घटक अविश्वसनीय रूप से तेज़ और सटीक हो गए हैं, लेकिन त्रुटियों की जांच करने और उन्हें ठीक करने के लिए आवश्यक सहायक चरण धीमे, बोझिल और उसी क्षति का कारण बनने के प्रति संवेदनशील रहे थे जिसे वे रोकने के लिए बनाए गए हैं। ये अतिरिक्त चरण देरी और भौतिक व्यवधान उत्पन्न करते हैं जो उस नाजुक जानकारी को अभिभूत कर सकते हैं जिसे वे बचाने की कोशिश कर रहे हैं।

हांगकांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (ग्वांगझू) और इंटरनेशनल क्वांटम एकेडमी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग रास्ता प्रस्तावित किया है जो इन बोझिल चरणों को पूरी तरह से समाप्त कर देता है। मापने, ले जाने या व्यक्तिगत रूप से परमाणुओं को लक्षित करने के बजाय, उनका नया प्रोटोकॉल केवल वैश्विक लेजर पल्स (global laser pulses) का उपयोग करके एक क्वांटम मेमोरी को स्थिर करता है जो एक ही समय में पूरी प्रणाली पर कार्य करते हैं। तीन अलग-अलग प्रकार के परमाणुओं को एक विशिष्ट ग्रिड में व्यवस्थित करके और उनके बीच की प्राकृतिक अंतःक्रियाओं का उपयोग करके, टीम ने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की है जहाँ डेटा का स्नैपशॉट लेने के लिए प्रक्रिया को कभी भी रोकने की आवश्यकता नहीं होती है। एक छोटे लेकिन पूर्ण त्रुटि-सुधार चक्र के सिमुलेशन में, इस पद्धति ने लॉजिकल जानकारी को कई राउंड तक सफलतापूर्वक संरक्षित किया, बशर्ते कि सिस्टम में भौतिक त्रुटियां एक विशिष्ट सीमा से नीचे रहें। यह कार्य एक अधिक कुशल और मजबूत क्वांटम मेमोरी की ओर एक मार्ग का सुझाव देता है जो पारंपरिक सुधार विधियों के भारी ओवरहेड से बचता है।

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की मुख्य चुनौती यह है कि इसमें रखी जाने वाली जानकारी अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती है। वातावरण के साथ एक सूक्ष्म अंतःक्रिया भी डेटा के एक बिट को बदल सकती है, जिससे शून्य का एक में या इसके विपरीत परिवर्तन हो सकता है। इससे लड़ने के लिए, वैज्ञानिक 'टोरिक कोड' (toric code) नामक रणनीति का उपयोग करते हैं, जो एकल लॉजिकल जानकारी को कई भौतिक परमाणुओं में फैला देता है। यदि एक परमाणु गलती करता है, तो पूरे समूह का पैटर्न यह प्रकट कर देता है कि त्रुटि कहाँ हुई बिना जानकारी को नष्ट किए। पारंपरिक रूप से, इन त्रुटियों को ठीक करने के लिए ऑपरेशनों के एक चक्र की आवश्यकता होती है: पहले, डेटा परमाणुओं की स्थिति की जांच करने के लिए सहायक परमाणुओं का उपयोग किया जाता है; फिर, उस जांच के परिणामों को मापा जाता है; अंत में, एक कंप्यूटर निर्णय लेता है कि क्या करना है और खराब डेटा को वापस सही स्थिति में बदलने के लिए संकेत भेजता है। न्यूट्रल-एटम सिस्टम में, जो परमाणुओं को एक स्थान पर रखने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं, यह चक्र एक बाधा रहा है। माप वाला चरण मिलीसेकंड का समय लेता है, जिस दौरान बिना मापे गए परमाणु क्षय होते रहते हैं। परमाणुओं को क्षेत्रों के बीच ले जाने से अधिक समय और गर्मी जुड़ती है, और व्यक्तिगत परमाणनों पर लेजर को केंद्रित करने से उनके पड़ोसियों के साथ अनचाहा हस्तक्षेप होता है। ये देरी और व्यवधान संचित होते हैं, जो अंततः उस स्मृति को भ्रष्ट कर देते हैं जिसे सिस्टम बचाने की कोशिश कर रहा है।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसा समाधान प्रस्तावित किया है जो मापन, संचलन और व्यक्तिगत लक्ष्यीकरण की आवश्यकता को पूरी तरह से हटा देता है। उन्होंने परमाणुओं के एक ग्रिड की कल्पना की जिसमें तीन अलग-अलग प्रजातियां शामिल हैं: एक प्रकार डेटा रखने के लिए, और दो अन्य प्रकार सहायकों के रूप में कार्य करने के लिए। इन सहायक परमाणुओं को डेटा परमाणुओं के चारों ओर एक चेकरबोर्ड पैटर्न में व्यवस्थित किया गया है। सहायकों को यह देखने के लिए मापने के बजाय कि क्या कोई त्रुटि हुई है, सिस्टम वैश्विक लेजर पल्स का उपयोग करता है जो एक ही समय में एक विशिष्ट प्रकार के सभी परमाणुओं पर प्रहार करते हैं। यह प्रोटोकॉल एक निरंतर, सुसंगत लूप (coherent loop) में काम करता है। पहले, सिस्टम 'रिडबर्ग ब्लॉकेड' (Rydberg blockade) नामक एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया का उपयोग करके डेटा परमाणुओं से त्रुटियों को सहायक परमाणुओं पर मैप करता है, जहाँ एक उत्तेजित परमाणु के होने से उसका पड़ोसी उत्तेजित होने से रुक जाता है। यह मैपिंग पूरे ग्रिड में एक साथ होती है। इसके बाद, दूसरा पल्स सहायक परमाणुओं की स्थिति का उपयोग करके डेटा परमाणुओं को उनकी सही स्थिति में वापस बदलने के लिए करता है यदि कोई त्रुटि पाई गई हो। अंत में, एक कोमल पल्स सहायक परमाणुओं को उनकी प्रारंभिक स्थिति में रीसेट करता है, ताकि वे अगले दौर के लिए तैयार हो सकें। क्योंकि पूरी प्रक्रिया वैश्विक पल्स द्वारा संचालित होती है और परमाणुओं के प्राकृतिक भौतिकी पर निर्भर करती है, यह पारंपरिक तरीकों की तुलना में बहुत कम समय में होती है।

यह विचार वास्तव में काम कर सकता है या नहीं, इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने सिस्टम के एक छोटे लेकिन पूर्ण संस्करण के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए, विशेष रूप से एक ग्रिड जिसमें सोलह डेटा परमाणु और सोलह सहायक परमाणु थे। उन्होंने उत्तेजित अवस्थाओं के अपरिहार्य क्षय और उन परमाणुओं के बीच कमजोर अंतःक्रियाओं सहित वास्तविक स्थितियों के तहत परमाणुओं के व्यवहार का मॉडल बनाया जो आपस में क्रिया नहीं करने के लिए बने हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब परमाणुओं की भौतिक त्रुटि दर एक निश्चित सीमा से नीचे रखी गई थी, तो सिस्टम ने संग्रहीत जानकारी के जीवन को सफलतापूर्वक बढ़ाया। इन परीक्षणों में, मेमोरी ने अपने लॉजिकल स्टेट को त्रुटि सुधार के पचास राउंड तक बनाए रखा, जबकि एक बिना सुधारा गया सिस्टम लगभग तीस राउंड में अपनी जानकारी खो देता। शोधकर्ताओं ने लगभग 0.034 की भौतिक त्रुटि दर पर एक ब्रेक-ईवन पॉइंट, या एक 'स्यूडो-थ्रेशोल्ड' (pseudo-threshold) की गणना की। इस मान से नीचे, सुधार प्रक्रिया त्रुटियों के पैदा होने की दर से अधिक तेजी से त्रुटियों को हटाती है; इसके ऊपर, प्रक्रिया उतनी त्रुटियां ठीक करने के बजाय अधिक शोर पैदा करती है।

इस प्रोटोकॉल की सफलता तीन-परमाणु इकाइयों को चलाने वाले लेजर पल्स के सटीक डिजाइन पर निर्भर करती है। शोधकर्ताओं को इन पल्स को पूरे सरणी (array) में एक साथ दो अलग-अलग लॉजिकल ऑपरेशन्स करने के लिए इंजीनियर करना पड़ा। एक ऑपरेशन, जिसे उन्होंने 'OR-Toffoli गेट' कहा, एक डेटा परमाणु को तब बदल देता है जब उसके दो पड़ोसी सहायकों में से कम से कम एक एक विशिष्ट स्थिति में हो। दूसरा, एक मानक 'Toffoli गेट', डेटा परमाणु को केवल तभी बदलता है जब उसके दोनों पड़ोसी उस स्थिति में हों। इन दोनों ऑपरेशन्स को जोड़कर, सिस्टम पारंपरिक त्रुटि सुधार के जटिल तर्क की नकल कर सकता है, बिना कभी व्यक्तिगत परमाणुओं को देखे। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि इन पल्स को उच्च शुद्धता (fidelity) के साथ निष्पादित किया जा सकता है, भले ही मध्यवर्ती परमाणु अवस्थाओं के तीव्र क्षय को ध्यान में रखा जाए। पूरे चक्र में जांच और सुधार करने में केवल कुछ माइक्रोसेकंड लगते हैं, जो मुख्य रूप से सहायक परमाणुओं को रीसेट करने के समय पर निर्भर है, जो पारंपरिक माप-आधारित दृष्टिकोणों द्वारा आवश्यक मिलीसेकंड की तुलना में काफी तेज है।

हालांकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि उनके निष्कर्ष एक विशिष्ट, छोटे पैमाने के सिस्टम के सिमुलेशन पर आधारित हैं। जो थ्रेशोल्ड उन्होंने पाया है वह इस विशेष ग्रिड आकार पर लागू होता है और अभी तक एक बड़े पैमाने की मशीन की अंतिम सीमा का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। अध्ययन ने शोर मॉडल को डेटा परमाणुओं में यादृच्छिक त्रुटियों पर ध्यान केंद्रित करके सरल बनाया, जिससे वास्तविक दुनिया के उपकरण में परमाणुओं के बीच त्रुटियों के फैलने के कुछ अधिक जटिल तरीकों को छोड़ दिया गया। फिर भी, यह कार्य अधिक कुशल क्वांटम मेमोरी के लिए एक स्पष्ट और ठोस मार्ग प्रदर्शित करता है। मापन और परिवहन जैसे धीमे, यांत्रिक चरणों को तेज़, वैश्विक लेजर पल्स से बदलकर, टीम ने दिखाया है कि परमाणुओं के प्राकृतिक गुणों का उपयोग करके क्वांटम जानकारी को स्थिर करना संभव है। यह दृष्टिकोण एक हार्डवेयर-कुशल मार्ग प्रदान करता है, जो सुझाव देता है कि क्वांटम मेमोरी का भविष्य अधिक जटिल मशीनरी की आवश्यकता नहीं, बल्कि पहले से मौजूद परमाणुओं का अधिक स्मार्ट तरीके से उपयोग करने की आवश्यकता है।