कैट क्वैबिट स्थिरता के एक नए स्तर पर पहुँचते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

क्वांटम कंप्यूटर आवश्यक कार्यों में पारंपरिक कंप्यूटिंग को पार कर सकते हैं, लेकिन उनमें त्रुटियों की संभावना होती है जो अंततः क्वांटम जानकारी के नुकसान का कारण बनती है, जिससे आज के क्वांटम उपकरण सीमित हो जाते हैं। इसलिए, बड़े पैमाने पर क्वांटम सूचना प्रोसेसर प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को क्वांटम त्रुटियों को ठीक करने के लिए रणनीतियों को विकसित करने और लागू करने की आवश्यकता है।

पेरिस स्थित क्वांटम कंप्यूटिंग फर्म के शोधकर्ता ऐलिस और बॉबफ्रांस के ईएनएस-पीएसएल और ईएनएस डी ल्योन के सहयोगियों के साथ मिलकर, अब तथाकथित की स्थिरता और नियंत्रण को बढ़ाकर समाधान की दिशा में महत्वपूर्ण प्रगति की है बिल्ली qubits. इरविन श्रोडिंगर के प्रसिद्ध विचार प्रयोग के नाम पर, ये क्वांटम बिट्स क्वांटम रेज़ोनेटर के सुसंगत राज्यों को उनके तार्किक राज्यों के रूप में उपयोग करते हैं। कैट क्वैबिट क्वांटम त्रुटि सुधार के लिए आशाजनक हैं क्योंकि वे सुसंगत अवस्थाओं से निर्मित होते हैं, जो उन्हें पर्यावरण से कुछ प्रकार की त्रुटियों के खिलाफ आंतरिक रूप से मजबूत बनाते हैं।

एक नया माप प्रोटोकॉल

क्वांटम बिट्स दो प्रकार की त्रुटियों से ग्रस्त हैं: चरण फ़्लिप और बिट फ़्लिप। क्वांटम कंप्यूटिंग में, बिट फ़्लिप एक त्रुटि है जो एक क्वबिट की स्थिति को |0⟩ से |1⟩ या इसके विपरीत बदल देती है, जो एक शास्त्रीय बिट को 0 से 1 तक फ़्लिप करने के समान है। दूसरी ओर, एक चरण फ़्लिप, है एक त्रुटि जो क्वबिट की सुपरपोजिशन स्थिति के |0⟩ और |1⟩ घटकों के बीच सापेक्ष चरण को बदल देती है। कैट क्वैबिट को बिट-फ्लिप त्रुटियों के खिलाफ क्वबिट को ऐसे वातावरण में जोड़कर स्थिर किया जा सकता है जो सिस्टम के साथ फोटॉन के जोड़े का अधिमानतः आदान-प्रदान करता है। यह स्वायत्त रूप से कुछ त्रुटियों के प्रभावों का प्रतिकार करता है जो बिट-फ़्लिप उत्पन्न करते हैं और यह सुनिश्चित करते हैं कि क्वांटम स्थिति वांछित त्रुटि-सुधारित उप-स्थान के भीतर बनी रहे। हालाँकि, क्वांटम त्रुटि सुधार की चुनौती केवल क्वैबिट को स्थिर करने के बारे में नहीं है। यह उन तंत्रों को तोड़े बिना उन्हें नियंत्रित करने के बारे में भी है जो उन्हें स्थिर रखते हैं।

In पहले पर पोस्ट किए गए अध्ययनों की एक जोड़ी arXiv प्रीप्रिंट सर्वर, और अभी तक सहकर्मी-समीक्षा नहीं की गई है, ऐलिस एंड बॉब, ईएनएस-पीएसएल और ईएनएस डी ल्योन के शोधकर्ताओं ने बिट-फ्लिप समय को 10 सेकंड से अधिक तक बढ़ाने का एक तरीका खोजा - पिछले कैट-क्विबिट कार्यान्वयन की तुलना में परिमाण के चार ऑर्डर अधिक लंबे - जबकि अभी भी कैट क्वबिट को पूरी तरह से नियंत्रित किया जा रहा है। उन्होंने एक रीडआउट प्रोटोकॉल पेश करके इसे हासिल किया, जो उनके कैट क्वबिट में बिट-फ्लिप सुरक्षा से समझौता नहीं करता है, जिसमें एक चिप पर सुपरकंडक्टिंग क्वांटम रेज़ोनेटर में फंसे दो शास्त्रीय क्वांटम राज्यों की क्वांटम सुपरपोजिशन शामिल है। महत्वपूर्ण रूप से, इन क्वबिट स्थितियों को पढ़ने और नियंत्रित करने के लिए उन्होंने जो नई माप योजना तैयार की है, वह अतिरिक्त भौतिक नियंत्रण तत्वों पर निर्भर नहीं करती है, जो पहले प्राप्त करने योग्य बिट-फ्लिप समय को सीमित करती थी।

पिछले प्रयोग डिज़ाइनों में कैट क्वबिट की स्थिति को नियंत्रित करने और पढ़ने के लिए एक सुपरकंडक्टिंग ट्रांसमोन - एक दो-स्तरीय क्वांटम तत्व - का उपयोग किया गया था। यहां, शोधकर्ताओं ने एक नई रीडआउट और नियंत्रण योजना तैयार की है जो उसी सहायक अनुनादक का उपयोग करती है जो बिल्ली क्वबिट के लिए दो-फोटॉन स्थिरीकरण तंत्र प्रदान करती है। इस योजना के हिस्से के रूप में, उन्होंने एक तथाकथित होलोनोमिक गेट लागू किया जो क्वांटम स्थिति की समता को अनुनादक में फोटॉन की संख्या में बदल देता है। फोटॉन संख्या समता कैट क्वबिट की एक विशिष्ट संपत्ति है: दो सुसंगत राज्यों के एक समान सुपरपोजिशन में केवल सम फोटॉन संख्याओं के सुपरपोजिशन होते हैं, जबकि एक ही सुपरपोजिशन लेकिन ऋण चिह्न के साथ केवल विषम फोटॉन संख्याओं के सुपरपोजिशन होते हैं। इसलिए समता यह जानकारी प्रदान करती है कि क्वांटम प्रणाली किस स्थिति में है।

कैट क्वैबिट के स्थिरीकरण को फिर से डिज़ाइन करना

ऐलिस और बॉब टीम ने क्वांटम सुपरपोजिशन राज्यों को तैयार और चित्रित किया, साथ ही इन सुपरपोजिशन के चरण को नियंत्रित किया और 10 सेकंड से अधिक का बिट-फ्लिप समय और 490 एनएस से अधिक लंबे चरण-फ्लिप समय को बनाए रखा। हालाँकि, कैट क्वैबिट पर आधारित बड़े पैमाने पर त्रुटि-सुधारित क्वांटम कंप्यूटर को पूरी तरह से साकार करने के लिए न केवल अच्छे नियंत्रण और तेज़ रीडआउट की आवश्यकता होगी, बल्कि यह सुनिश्चित करने का एक साधन भी होगा कि कैट क्वबिट गणना करने के लिए लंबे समय तक स्थिर रहे। ऐलिस एंड बॉब और ईएनएस डी ल्योन के शोधकर्ताओं ने इस महत्वपूर्ण और चुनौतीपूर्ण कार्य को संबोधित किया दूसरे अध्ययन.

एक स्थिर कैट क्वबिट का एहसास करने के लिए, सिस्टम को दो-फोटॉन प्रक्रिया द्वारा संचालित किया जा सकता है जो एक बार में केवल दो फोटॉन को नष्ट करते हुए फोटॉन के जोड़े को इंजेक्ट करता है। यह आम तौर पर कैट क्वबिट को एक सहायक रेज़ोनेटर से जोड़कर और एक असममित-थ्रेडेड-स्क्विड (एटीएस) नामक तत्व को सटीक रूप से ट्यून किए गए माइक्रोवेव पल्स के साथ पंप करके किया जाता है।. हालाँकि, इस दृष्टिकोण में महत्वपूर्ण कमियाँ हैं, जैसे गर्मी का बढ़ना, अवांछित प्रक्रियाओं का सक्रिय होना और भारी माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता।

इन समस्याओं को कम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो-फोटॉन अपव्यय तंत्र को फिर से डिजाइन किया ताकि उसे ऐसे अतिरिक्त पंप की आवश्यकता न हो। एटीएस के बजाय, उन्होंने कई जोसेफसन जंक्शनों से युक्त एक गैर-रेखीय तत्व के माध्यम से एक हानिपूर्ण सहायक मोड के साथ मिलकर एक सुपरकंडक्टिंग ऑसिलेटर मोड में कैट क्वबिट को लागू किया। जोसेफसन तत्व एक "मिक्सर" के रूप में कार्य करता है जो सहायक अनुनादक में एक फोटॉन की ऊर्जा से दो कैट क्वबिट फोटॉन की ऊर्जा का सटीक मिलान करना संभव बनाता है। परिणामस्वरूप, इस तथाकथित ऑटोपैरामीट्रिक प्रक्रिया में, कैट क्विबिट रेज़ोनेटर में फोटॉन के जोड़े बिना किसी अतिरिक्त माइक्रोवेव पंप की आवश्यकता के बफर मोड के एकल फोटॉन में बदल जाते हैं।

एक सममित संरचना के साथ एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट को डिजाइन करके, टीम एक ही जोसेफसन तत्व के माध्यम से एक उच्च-गुणवत्ता वाले अनुनादक को निम्न-गुणवत्ता वाले अनुनादक के साथ जोड़ने में सक्षम थी। इस प्रकार उन्होंने पिछले परिणामों की तुलना में दो-फोटॉन अपव्यय दर को 10 गुना बढ़ा दिया, बिट-फ्लिप समय एक सेकंड के करीब पहुंच गया - इस मामले में ट्रांसमॉन द्वारा सीमित। तेज़ क्वबिट हेरफेर और लघु त्रुटि सुधार चक्रों के लिए उच्च दो-फोटॉन अपव्यय दर की आवश्यकता होती है। कैट क्वैबिट के दोहराव कोड में शेष चरण-फ़्लिप त्रुटियों को ठीक करने के लिए ये महत्वपूर्ण हैं।

कैट क्वैबिट के साथ भविष्य के अनुप्रयोग

गेरहार्ड किर्चमेयरऑस्ट्रिया के इंसब्रुक में क्वांटम ऑप्टिक्स और क्वांटम सूचना संस्थान के एक भौतिक विज्ञानी, जो किसी भी अध्ययन में शामिल नहीं थे, का कहना है कि दोनों कार्य पूरी तरह से त्रुटि-सुधारित क्वबिट को साकार करने की दिशा में महत्वपूर्ण कदमों का वर्णन करते हैं। किर्चमेयर का कहना है, "ये पूर्ण त्रुटि सुधार की दिशा में अगले कदम हैं।" "वे स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करते हैं कि इन प्रणालियों में बिट फ्लिप के खिलाफ घातीय सुरक्षा प्राप्त करना संभव है, जो दर्शाता है कि यह दृष्टिकोण पूर्ण क्वांटम त्रुटि सुधार का एहसास करने के लिए व्यवहार्य है।"

शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि महत्वपूर्ण बाधाएँ बनी हुई हैं। चूँकि होलोनोमिक गेट प्रोटोकॉल का उपयोग करके रीडआउट की सटीकता सीमित थी, वे इसे सुधारने के तरीके खोजना चाहते हैं। एकाधिक कैट क्वैबिट वाले गेटों का प्रदर्शन करना और यह जांचना कि अंतर्निहित बिट-फ्लिप सुरक्षा बनी हुई है या नहीं, एक और महत्वपूर्ण कदम होगा। इसके अलावा, फोटॉनों के जोड़े के आदान-प्रदान के लिए नए ऑटोपैरामीट्रिक डिवाइस सेटअप के साथ, ऐलिस और बॉब के सह-संस्थापक राफेल लेस्कन को केवल दो के बजाय चार अलग-अलग सुसंगत राज्यों का उपयोग करके एक बिल्ली की कक्षा को स्थिर करने में सक्षम होने का अनुमान है। "हमारा लक्ष्य चार-घटक कैट-क्विबिट को स्थिर करने के लिए अभूतपूर्व नॉनलाइनियर युग्मन शक्ति का उपयोग करना है, जो पेशकश करेगा साइट पर बिट-फ़्लिप त्रुटि सुरक्षा के साथ-साथ चरण-फ़्लिप त्रुटि सुरक्षा,'' लेस्कैन कहते हैं।

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किर्चमेयर का मानना ​​​​है कि ये परिणाम इन भारी शोर-पक्षपाती क्वैबिट पर निर्भर करते हुए अधिक विस्तृत त्रुटि सुधार योजनाओं का मार्ग प्रशस्त करते हैं, जहां बिट-फ्लिप दर शेष चरण फ्लिप दर की तुलना में बहुत कम है। किर्चमेयर बताते हैं, "अगले कदम इस प्रणाली को चरण फ़्लिप के लिए भी सही करने के लिए स्केल करना होगा, जिससे पूरी तरह से त्रुटि-सुधारित क्वबिट का एहसास होगा।" भौतिकी की दुनिया. "दोनों परिणामों को सर्वोत्तम बनाने और बिट फ्लिप समय को और भी बेहतर बनाने के लिए दोनों दृष्टिकोणों को एक प्रणाली में संयोजित करने की कल्पना भी की जा सकती है।"

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/