25 सितंबर, 2023 - एमआईटी शोधकर्ताओं ने रिपोर्ट दी है कि उन्होंने एक उपन्यास सुपरकंडक्टिंग क्वबिट आर्किटेक्चर का प्रदर्शन किया है जो क्वांटम कंप्यूटरों के व्यावसायिक उपयोग के लिए एक बाधा को संबोधित करते हुए, अधिक सटीकता के साथ क्वैब के बीच संचालन कर सकता है: त्रुटि सुधार।
शोधकर्ताओं ने अपेक्षाकृत नए प्रकार के सुपरकंडक्टिंग क्वबिट का उपयोग किया, जिसे फ्लक्सोनियम के नाम से जाना जाता है, जिसका जीवनकाल आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सुपरकंडक्टिंग क्वबिट से अधिक लंबा हो सकता है। वादे या क्वांटम कंप्यूटिंग को साकार करने के लिए, त्रुटि सुधार कोड के क्वांटम संस्करणों को कम्प्यूटेशनल त्रुटियों के होने की तुलना में तेजी से ध्यान देने में सक्षम होना चाहिए। हालाँकि, आज के क्वांटम कंप्यूटर अभी इतने मजबूत नहीं हैं कि व्यावसायिक रूप से प्रासंगिक पैमानों पर ऐसी त्रुटि सुधार कर सकें।
एमआईटी शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग की जाने वाली वास्तुकला में दो फ्लक्सोनियम क्वैबिट के बीच एक विशेष युग्मन तत्व शामिल होता है जो उन्हें तार्किक संचालन करने में सक्षम बनाता है, जिसे गेट्स के रूप में जाना जाता है, अत्यधिक सटीक तरीके से। यह एक प्रकार की अवांछित पृष्ठभूमि इंटरैक्शन को दबा देता है जो क्वांटम संचालन में त्रुटियाँ ला सकता है।
इस दृष्टिकोण ने दो-क्विबिट गेट्स को सक्षम किया जो 99.9 प्रतिशत सटीकता से अधिक थे और सिंगल-क्विबिट गेट्स 99.99 प्रतिशत सटीकता के साथ सक्षम थे। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने एक एक्स्टेंसिबल फैब्रिकेशन प्रक्रिया का उपयोग करके इस आर्किटेक्चर को एक चिप पर लागू किया।
“बड़े पैमाने पर क्वांटम कंप्यूटर का निर्माण मजबूत क्वैबिट और गेट्स से शुरू होता है। हमने एक अत्यधिक आशाजनक टू-क्विबिट प्रणाली दिखाई और स्केलिंग के लिए इसके कई फायदे बताए। हमारा अगला कदम क्वैबिट्स की संख्या बढ़ाना है,'' लियोन डिंग पीएचडी '23 कहते हैं, जो इंजीनियरिंग क्वांटम सिस्टम्स (ईक्यूयूएस) समूह में भौतिकी स्नातक छात्र थे और इस वास्तुकला पर एक पेपर के प्रमुख लेखक हैं।
डिंग ने EQuS पोस्टडॉक मैक्स हेज़ के साथ पेपर लिखा; यंगक्यू सुंग पीएचडी '22; भरत कन्नन पीएचडी '22, जो अब अटलांटिक क्वांटम के सीईओ हैं; एमआईटी लिंकन प्रयोगशाला में एक स्टाफ वैज्ञानिक और टीम लीड काइल सेर्नियाक; और वरिष्ठ लेखक विलियम डी. ओलिवर, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान और भौतिकी के हेनरी एलिस वॉरेन प्रोफेसर, क्वांटम इंजीनियरिंग केंद्र के निदेशक, ईक्यूयूएस के नेता, और इलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान प्रयोगशाला के सहयोगी निदेशक; साथ ही एमआईटी और एमआईटी लिंकन प्रयोगशाला में अन्य। शोध आज सामने आया है शारीरिक समीक्षा एक्स.
फ्लक्सोनियम क्यूबिट पर नया टेक
एक शास्त्रीय कंप्यूटर में, गेट्स बिट्स (1s और 0s की एक श्रृंखला) पर किए गए तार्किक संचालन होते हैं जो गणना को सक्षम करते हैं। में गेट क्वांटम कम्प्यूटिंग उसी तरह से सोचा जा सकता है - एक सिंगल क्विबिट गेट एक क्विबिट पर एक तार्किक ऑपरेशन है, जबकि दो-क्विबिट गेट एक ऑपरेशन है जो दो कनेक्टेड क्वबिट की स्थिति पर निर्भर करता है।
फिडेलिटी इन द्वारों पर किए गए क्वांटम संचालन की सटीकता को मापती है। उच्चतम संभव निष्ठा वाले गेट आवश्यक हैं क्योंकि क्वांटम त्रुटियाँ तेजी से बढ़ती हैं। एक बड़े पैमाने के सिस्टम में होने वाले अरबों क्वांटम ऑपरेशनों के साथ, प्रतीत होता है कि थोड़ी सी त्रुटि पूरे सिस्टम को तुरंत विफल कर सकती है।
व्यवहार में, ऐसी कम त्रुटि दर प्राप्त करने के लिए कोई त्रुटि सुधार कोड का उपयोग करेगा। हालाँकि, इन कोडों को लागू करने के लिए संचालन को एक "निष्ठा सीमा" को पार करना होगा। इसके अलावा, इस सीमा से कहीं अधिक निष्ठा को आगे बढ़ाने से त्रुटि सुधार कोड को लागू करने के लिए आवश्यक ओवरहेड कम हो जाता है।
एक दशक से भी अधिक समय से, शोधकर्ताओं ने क्वांटम कंप्यूटर बनाने के अपने प्रयासों में मुख्य रूप से ट्रांसमोन क्विबिट का उपयोग किया है। एक अन्य प्रकार का सुपरकंडक्टिंग क्वबिट, जिसे फ्लक्सोनियम क्वबिट के रूप में जाना जाता है, हाल ही में उत्पन्न हुआ है। यह देखा गया है कि फ्लक्सोनियम क्वैबिट का जीवनकाल ट्रांसमोन क्वैबिट की तुलना में अधिक लंबा होता है, या सुसंगतता का समय होता है।
सुसंगतता समय इस बात का माप है कि एक क्वबिट कितने समय तक संचालन कर सकता है या एल्गोरिदम चला सकता है इससे पहले कि क्वबिट की सभी जानकारी नष्ट हो जाए।
“जितना अधिक समय तक एक क्यूबिट जीवित रहता है, उतनी ही उच्च निष्ठा वाले संचालन को बढ़ावा मिलता है। ये दोनों संख्याएँ एक साथ जुड़ी हुई हैं। लेकिन यह अस्पष्ट है, भले ही फ्लक्सोनियम क्वैबिट स्वयं काफी अच्छा प्रदर्शन करते हों, क्या आप उन पर अच्छे गेट्स का प्रदर्शन कर सकते हैं,'' डिंग कहते हैं।
पहली बार, डिंग और उनके सहयोगियों ने एक वास्तुकला में इन लंबे समय तक रहने वाले क्वैबिट का उपयोग करने का एक तरीका खोजा जो बेहद मजबूत, उच्च-निष्ठा वाले द्वारों का समर्थन कर सकता है। उनकी वास्तुकला में, फ़्लक्सोनियम क्वैबिट एक मिलीसेकंड से अधिक के सुसंगतता समय को प्राप्त करने में सक्षम थे, जो पारंपरिक ट्रांसमोन क्वैबिट से लगभग 10 गुना अधिक लंबा था।
हेज़ कहते हैं, "पिछले कुछ वर्षों में, एकल-क्विबिट स्तर पर फ्लक्सोनियम के बेहतर प्रदर्शन करने वाले ट्रांसमॉन के कई प्रदर्शन हुए हैं।" "हमारे काम से पता चलता है कि इस प्रदर्शन को बढ़ावा को क्वैबिट के बीच बातचीत तक भी बढ़ाया जा सकता है।"
फ्लक्सोनियम क्वैबिट को एमआईटी लिंकन लेबोरेटरी, (एमआईटी-एलएल) के निकट सहयोग से विकसित किया गया था, जिसके पास एक्स्टेंसिबल सुपरकंडक्टिंग क्वबिट प्रौद्योगिकियों के डिजाइन और निर्माण में विशेषज्ञता है।
"यह प्रयोग उस अनुकरणीय था जिसे हम 'वन-टीम मॉडल' कहते हैं: EQuS समूह और MIT-LL में सुपरकंडक्टिंग क्वबिट टीम के बीच घनिष्ठ सहयोग," सेर्नियाक कहते हैं। "यहां विशेष रूप से एमआईटी-एलएल में फैब्रिकेशन टीम के योगदान पर प्रकाश डालना उचित है - उन्होंने विशेष रूप से फ्लक्सोनियम और अन्य नए क्वबिट सर्किट के लिए 100 से अधिक जोसेफसन जंक्शनों के घने सरणी बनाने की क्षमता विकसित की है।"
एक मजबूत संबंध
उनकी नवीन वास्तुकला में एक सर्किट शामिल है जिसमें दोनों छोर पर दो फ्लक्सोनियम क्वैबिट हैं, उन्हें एक साथ जोड़ने के लिए बीच में एक ट्यून करने योग्य ट्रांसमोन कपलर है। यह फ्लक्सोनियम-ट्रांसमन-फ्लक्सोनियम (FTF) आर्किटेक्चर उन तरीकों की तुलना में अधिक मजबूत युग्मन को सक्षम बनाता है जो सीधे दो फ्लक्सोनियम क्वैबिट को जोड़ते हैं।
एफटीएफ क्वांटम संचालन के दौरान पृष्ठभूमि में होने वाली अवांछित बातचीत को भी कम करता है। आमतौर पर, क्वैबिट के बीच मजबूत युग्मन इस लगातार पृष्ठभूमि शोर को और अधिक बढ़ा सकता है, जिसे स्थिर ZZ इंटरैक्शन के रूप में जाना जाता है। लेकिन एफटीएफ आर्किटेक्चर इस समस्या का समाधान करता है।
इन अवांछित अंतःक्रियाओं को दबाने की क्षमता और फ्लक्सोनियम क्वैबिट की लंबी सुसंगतता समय दो कारक हैं जो शोधकर्ताओं को 99.99 प्रतिशत की सिंगल-क्विबिट गेट निष्ठा और 99.9 प्रतिशत की दो-क्विबिट गेट निष्ठा प्रदर्शित करने में सक्षम बनाते हैं।
ये गेट फ़िडेलिटीज़ कुछ सामान्य त्रुटि सुधार कोड के लिए आवश्यक सीमा से काफी ऊपर हैं, और बड़े पैमाने पर सिस्टम में त्रुटि का पता लगाने में सक्षम होना चाहिए।
“क्वांटम त्रुटि सुधार अतिरेक के माध्यम से सिस्टम लचीलापन बनाता है। अधिक क्यूबिट जोड़कर, हम समग्र सिस्टम प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं, बशर्ते कि क्यूबिट व्यक्तिगत रूप से 'पर्याप्त अच्छे' हों। किंडरगार्टनर्स से भरे कमरे में कोई कार्य करने का प्रयास करने के बारे में सोचें। यह बहुत अधिक अराजकता है, और अधिक किंडरगार्टनर्स को जोड़ने से यह बेहतर नहीं होगा, ”ओलिवर बताते हैं। “हालांकि, एक साथ काम करने वाले कई परिपक्व स्नातक छात्र ऐसे प्रदर्शन की ओर ले जाते हैं जो किसी भी व्यक्ति से बेहतर होता है - यही प्रारंभिक अवधारणा है। हालांकि एक एक्स्टेंसिबल क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए अभी भी बहुत कुछ करना बाकी है, इसकी शुरुआत उच्च गुणवत्ता वाले क्वांटम संचालन से होती है जो सीमा से काफी ऊपर है।
इन परिणामों के आधार पर, डिंग, सुंग, कन्नन, ओलिवर और अन्य ने हाल ही में एक क्वांटम कंप्यूटिंग स्टार्टअप की स्थापना की, अटलांटिक क्वांटम. कंपनी वाणिज्यिक और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए फ्लक्सोनियम क्वैबिट का उपयोग करना चाहती है।
“ये परिणाम तुरंत लागू होते हैं और पूरे क्षेत्र की स्थिति बदल सकते हैं। यह समुदाय को दिखाता है कि आगे बढ़ने का एक वैकल्पिक रास्ता है। हम दृढ़ता से मानते हैं कि यह वास्तुकला, या फ़्लक्सोनियम क्वैबिट का उपयोग करने जैसा कुछ, वास्तव में एक उपयोगी, दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटर बनाने के मामले में महान वादा दिखाता है, ”कन्नन कहते हैं।
उन्होंने आगे कहा, हालांकि ऐसा कंप्यूटर अभी भी शायद 10 साल दूर है, यह शोध सही दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। इसके बाद, शोधकर्ताओं ने दो से अधिक कनेक्टेड क्वैबिट वाले सिस्टम में एफटीएफ आर्किटेक्चर के फायदों को प्रदर्शित करने की योजना बनाई है।
इस कार्य को, आंशिक रूप से, अमेरिकी सेना अनुसंधान कार्यालय, अनुसंधान और इंजीनियरिंग के रक्षा सचिव, एक आईबीएम पीएचडी फेलोशिप, कोरिया फाउंडेशन फॉर एडवांस स्टडीज और राष्ट्रीय रक्षा विज्ञान और इंजीनियरिंग ग्रेजुएट फेलोशिप कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
स्रोत: यह एडम ज़ेवे की कहानी का संशोधित संस्करण है, एमआईटी न्यूज़
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- स्रोत: https://insidehpc.com/2023/09/mit-qubit-architecture-achieves-progress-on-quantum-error-correction/
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