तटस्थ-परमाणु क्वांटम कंप्यूटर एक क्षण ला रहे हैं - भौतिकी विश्व

भविष्य के क्वांटम कंप्यूटिंग प्लेटफ़ॉर्म की दौड़ में, तटस्थ परमाणु थोड़े कमज़ोर रहे हैं। जबकि तटस्थ परमाणुओं पर आधारित क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) में कई आकर्षक विशेषताएं हैं, जिनमें क्विबिट संख्याओं को बढ़ाने और समानांतर में उन पर संचालन करने में आसानी शामिल है, सबसे अधिक ध्यान प्रतिद्वंद्वी प्लेटफार्मों पर केंद्रित है। कई बड़ी मशीनें सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट के साथ बनाई गई हैं, जिनमें विकसित मशीनें भी शामिल हैं आईबीएम, गूगल, वीरांगना, तथा माइक्रोसॉफ्ट. अन्य कंपनियों ने आयनों को चुना है, जैसे हनीवेल और आयनक्यू, या फोटॉन, जैसे Xanadu.

हालाँकि, पिछले कुछ हफ्तों में, कई आकर्षक विकासों ने तटस्थ परमाणुओं को पैक के सामने की ओर धकेल दिया है। उनमें से एक एटम कंप्यूटिंग नामक स्टार्ट-अप से आया था, जो अक्टूबर के अंत में घोषित किया गया कि यह जल्द ही एक होगा 1000-क्विबिट न्यूट्रल-एटम मशीन ग्राहकों के लिए तैयार - इस मील के पत्थर को पार करने वाला पहला वाणिज्यिक क्वांटम उपकरण। अन्य शोधकर्ताओं की तीन टीमों से आए जिन्होंने अलग-अलग अध्ययन प्रकाशित किए प्रकृति कम शोर, नई त्रुटि शमन क्षमता और यहां तक ​​कि बड़ी संख्या में क्वैबिट तक स्केल करने की मजबूत क्षमता वाले तटस्थ-परमाणु प्लेटफार्मों का वर्णन करना।

किसी भी क्वबिट प्लेटफॉर्म के लिए, मजबूत क्वांटम संचालन में सबसे बड़ी बाधाएं शोर और इसके कारण होने वाली त्रुटियां हैं। "त्रुटि सुधार वास्तव में क्वांटम कंप्यूटिंग की सीमा है," कहते हैं जेफ थॉम्पसन, अमेरिका के प्रिंसटन विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी जिन्होंने नेतृत्व किया तीन अध्ययनों में से एक साथ साथ श्रुति पुरी येल विश्वविद्यालय, अमेरिका के. "यह वह चीज़ है जो हमारे बीच खड़ी है और वास्तव में उपयोगी गणना कर रही है।"

त्रुटि सुधार इतना महत्वपूर्ण होने का कारण यह है कि यह गणना को संभव बनाता है, भले ही अंतर्निहित हार्डवेयर शोर से ग्रस्त हो। शास्त्रीय कंप्यूटर एक सरल त्रुटि सुधार रणनीति का उपयोग करते हैं जिसे दोहराव कोड कहा जाता है: एक ही जानकारी को कई बार संग्रहीत करें ताकि यदि एक बिट में कोई त्रुटि हो, तो शेष बिट्स का "बहुमत वोट" अभी भी सही मान को इंगित करेगा। क्वांटम त्रुटि सुधार एल्गोरिदम अनिवार्य रूप से इसके अधिक जटिल संस्करण हैं, लेकिन इससे पहले कि कोई प्लेटफ़ॉर्म उनसे लाभ उठा सके, उनके हार्डवेयर को कुछ न्यूनतम निष्ठा आवश्यकताओं को पूरा करना होगा। पारंपरिक क्वांटम एल्गोरिदम के लिए, सामान्य नियम यह है कि क्वांटम गणना की न्यूनतम इकाई - एक क्वांटम गेट - के लिए त्रुटि दर 1% से कम होनी चाहिए।

शोर को कम करना

के नेतृत्व में शोधकर्ताओं मिखाइल ल्यूकिन अमेरिका की हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के हैं अब रिपोर्टिंग कि उनका न्यूट्रल-एटम क्वांटम कंप्यूटर 0.5% की त्रुटि दर प्राप्त करते हुए उस सीमा को पूरा कर चुका है। वे टीमों द्वारा अग्रणी तरीके से दो-क्विबिट गेट्स को लागू करके इस मील के पत्थर तक पहुंचे जर्मनी और फ्रांस, और उनकी मशीन, जिसे उन्होंने पड़ोसी मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) के सहयोगियों के साथ विकसित किया है, निम्नानुसार काम करती है।

सबसे पहले, रूबिडियम परमाणुओं के वाष्प को पूर्ण शून्य से ठीक ऊपर तक ठंडा किया जाता है। फिर, अलग-अलग परमाणुओं को ऑप्टिकल ट्वीजिंग नामक तकनीक में कसकर केंद्रित लेजर बीम द्वारा पकड़ लिया जाता है। प्रत्येक परमाणु एक एकल क्वबिट का प्रतिनिधित्व करता है, और सैकड़ों को दो-आयामी सरणी में व्यवस्थित किया जाता है। इन क्वैब में क्वांटम जानकारी - शून्य या एक या दोनों का क्वांटम सुपरपोजिशन - रुबिडियम परमाणुओं के दो अलग-अलग ऊर्जा स्तरों में संग्रहीत होता है।

टू-क्विबिट गेट करने के लिए, दो परमाणुओं को एक-दूसरे के पास लाया जाता है और एक साथ लेजर द्वारा रोशन किया जाता है। रोशनी परमाणु के इलेक्ट्रॉनों में से एक को उच्च ऊर्जा स्तर तक बढ़ावा देती है जिसे रिडबर्ग अवस्था के रूप में जाना जाता है। एक बार इस अवस्था में, परमाणु अपने निकट पड़ोसियों के साथ आसानी से संपर्क करते हैं, जिससे गेट संचालन संभव हो जाता है।

ऑपरेशन की निष्ठा में सुधार करने के लिए, टीम ने दो परमाणुओं को रिडबर्ग राज्य में रोमांचक बनाने और उन्हें वापस नीचे लाने के लिए हाल ही में विकसित अनुकूलित पल्स अनुक्रम का उपयोग किया। यह पल्स अनुक्रम पिछले संस्करणों की तुलना में तेज़ है, जिससे परमाणुओं को गलत स्थिति में क्षय होने का कम मौका मिलता है, जिससे गणना टूट जाएगी। इसे अन्य तकनीकी सुधारों के साथ मिलाने से टीम को दो-क्विबिट गेटों के लिए 99.5% निष्ठा तक पहुंचने की अनुमति मिली।

यद्यपि अन्य प्लेटफार्मों ने तुलनीय निष्ठा हासिल की है, तटस्थ-परमाणु क्वांटम कंप्यूटर समानांतर में अधिक गणना कर सकते हैं। अपने प्रयोग में, ल्यूकिन और उनकी टीम ने अपने दो-क्विबिट गेट को एक ही लेजर पल्स के साथ रोशन करके एक बार में 60 क्विबिट पर लागू किया। ल्यूकिन कहते हैं, "यह इसे बहुत, बहुत खास बनाता है, क्योंकि हमारे पास उच्च निष्ठा हो सकती है और हम इसे केवल एक वैश्विक नियंत्रण के समानांतर कर सकते हैं। कोई अन्य मंच वास्तव में ऐसा नहीं कर सकता।”

त्रुटियाँ मिटाना

जबकि ल्यूकिन की टीम ने त्रुटि सुधार योजनाओं को लागू करने के लिए निष्ठा सीमा को पूरा करने के लिए अपने प्रयोग को अनुकूलित किया, थॉम्पसन और पुरी ने, फ्रांस के स्ट्रासबर्ग विश्वविद्यालय के सहयोगियों के साथ मिलकर, कुछ प्रकार की त्रुटियों को मिटाने में बदलने का एक तरीका खोजा, उन्हें सिस्टम से पूरी तरह से हटा दिया। . इससे इन त्रुटियों को ठीक करना बहुत आसान हो जाता है, जिससे त्रुटि-सुधार योजनाओं के काम करने की सीमा कम हो जाती है।

थॉम्पसन और पुरी का सेटअप हार्वर्ड-एमआईटी टीम के समान है, जिसमें अलग-अलग अल्ट्राकोल्ड परमाणु ऑप्टिकल चिमटी में रखे जाते हैं। मुख्य अंतर यह है कि उन्होंने रूबिडियम के स्थान पर येटरबियम परमाणुओं का उपयोग किया। येटरबियम में रुबिडियम की तुलना में अधिक जटिल ऊर्जा-स्तर की संरचना है, जो इसके साथ काम करना अधिक कठिन बनाती है, लेकिन क्वांटम राज्यों को एन्कोड करने के लिए अधिक विकल्प भी प्रदान करती है। इस मामले में, शोधकर्ताओं ने पारंपरिक निम्नतम दो ऊर्जा स्तरों के बजाय, दो मेटास्टेबल राज्यों में अपने क्वैबिट के "शून्य" और "एक" को एन्कोड किया। हालाँकि इन मेटास्टेबल अवस्थाओं का जीवनकाल छोटा होता है, कई संभावित त्रुटि तंत्र इन अवस्थाओं से परमाणुओं को बाहर निकाल देंगे और जमीनी अवस्था में भेज देंगे, जहाँ उनका पता लगाया जा सकता है।

त्रुटियों को हटाने में सक्षम होना एक बड़ा वरदान है। शास्त्रीय रूप से, यदि पुनरावृत्ति कोड में आधे से अधिक बिट्स में त्रुटियां हैं, तो गलत जानकारी प्रसारित की जाएगी। "लेकिन इरेज़र मॉडल के साथ, यह बहुत अधिक शक्तिशाली है क्योंकि अब मुझे पता है कि किन बिट्स में त्रुटि हुई है, इसलिए मैं उन्हें बहुमत वोट से बाहर कर सकता हूं," थॉम्पसन बताते हैं। "तो मुझे बस इतना ही चाहिए कि वहां एक अच्छा हिस्सा बचा रहे।"

अपनी इरेज़र रूपांतरण तकनीक की बदौलत, थॉम्पसन और सहकर्मी वास्तविक समय में लगभग एक तिहाई त्रुटियों का पता लगाने में सक्षम थे। हालाँकि उनकी 98% की टू-क्यूबिट गेट निष्ठा हार्वर्ड-एमआईटी टीम की मशीन की तुलना में कम है, थॉम्पसन ने नोट किया कि उन्होंने अपने गेट को चलाने के लिए लगभग 10 गुना कम लेजर शक्ति का उपयोग किया, और शक्ति बढ़ाने से प्रदर्शन को बढ़ावा मिलेगा साथ ही अनुमति भी मिलेगी त्रुटियों के एक बड़े अंश का पता लगाया जाना है। त्रुटि मिटाने की तकनीक त्रुटि सुधार की सीमा को भी 000% से कम कर देती है; ऐसे परिदृश्य में जहां लगभग सभी त्रुटियों को मिटाने में बदल दिया जाता है, जो थॉम्पसन का कहना है कि यह संभव होना चाहिए, सीमा 99% तक कम हो सकती है।

मल्टीप्लेक्सिंग त्रुटि मिटाना

में संबंधित परिणाम, कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, यूएस (कैलटेक) के शोधकर्ताओं ने भी त्रुटियों को मिटाने में बदल दिया। उनकी स्ट्रोंटियम-आधारित तटस्थ परमाणु मशीन एक अधिक प्रतिबंधित प्रकार का क्वांटम कंप्यूटर है जिसे क्वांटम सिम्युलेटर के रूप में जाना जाता है: जबकि वे Rydberg राज्य तक परमाणुओं को उत्तेजित कर सकते हैं और जमीन और Rydberg राज्यों के बीच उलझे हुए सुपरपोजिशन बना सकते हैं, उनके सिस्टम में केवल एक जमीनी स्थिति है, जिसका अर्थ है कि वे क्वांटम जानकारी को लंबे समय तक संग्रहीत नहीं कर सकते हैं।

न्यू न्यूट्रल-एटम क्वबिट क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए लाभ प्रदान करता है

हालाँकि, उन्होंने इन उलझी हुई सुपरपोज़िशनों को अभूतपूर्व निष्ठा के साथ बनाया: 99.9%। उन्होंने एक विशाल सुपरपोज़िशन भी बनाया जिसमें केवल दो नहीं, बल्कि 26 परमाणु शामिल थे, और कुछ त्रुटियों को मिटाकर ऐसा करने की निष्ठा में सुधार किया। "हम मूल रूप से दिखाते हैं कि आप इस तकनीक को कई-निकायों के दायरे में सार्थक रूप से ला सकते हैं," कहते हैं एडम शॉमें पीएचडी छात्र है मैनुअल एंड्रेस का समूह कैल्टेक में.

एक साथ, तीनों प्रगतियां तटस्थ-परमाणु क्वांटम कंप्यूटरों की क्षमताओं को दर्शाती हैं, और शोधकर्ताओं का कहना है कि उनके विचारों को एक ऐसी मशीन में जोड़ा जा सकता है जो अब तक प्रदर्शित मशीनों से भी बेहतर काम करती है। ल्यूकिन ने निष्कर्ष निकाला, "तथ्य यह है कि ये सभी कार्य एक साथ सामने आए, यह थोड़ा संकेत है कि कुछ विशेष आने वाला है।"

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/