ओक रिज वैज्ञानिकों ने सौर सेल अनुसंधान के लिए क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग किया - उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग समाचार विश्लेषण | अंदरHPC

ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी ने घोषणा की है कि लैब के शोधकर्ताओं ने इसका इस्तेमाल किया क्वान्टिनम H1-1 क्वान्टम कम्प्यूटर न केवल वर्तमान क्वांटम प्रणालियों पर वैज्ञानिक कंप्यूटिंग के लिए सर्वोत्तम प्रथाओं का प्रदर्शन किया बल्कि प्रयोगशाला ने जो कहा वह एक दिलचस्प वैज्ञानिक परिणाम भी है।

इस परियोजना को डीओई के बुनियादी ऊर्जा विज्ञान कार्यालय द्वारा वित्त पोषित किया गया था। तक पहुंच H1-1, क्वांटिनम द्वारा निर्मित एक उद्यम-तैयार क्वांटम कंप्यूटर (2021 में हनीवेल और कैम्ब्रिज क्वांटम द्वारा गठित), द्वारा प्रदान किया गया था क्वांटम कम्प्यूटिंग उपयोगकर्ता कार्यक्रम ओक रिज लीडरशिप कंप्यूटिंग सुविधा में, एक डीओई कार्यालय विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा।

एकल विखंडन मॉडलिंग द्वारा - जिसमें एक अणु द्वारा प्रकाश के एक फोटॉन का अवशोषण दो उत्तेजित अवस्थाएँ उत्पन्न करता है - टीम ने पुष्टि की कि रैखिक एच₄ अणु का ऊर्जावान स्तर विखंडन प्रक्रिया की आवश्यकताओं से मेल खाता है। रैखिक एच₄ अणु, सरल शब्दों में, एक रैखिक क्रम में व्यवस्थित चार हाइड्रोजन परमाणुओं से बना एक अणु है। एक अणु का ऊर्जावान स्तर किसी घटना में शामिल प्रत्येक क्वांटम अवस्था की ऊर्जा है, जैसे एकल विखंडन, और वे एक दूसरे से कैसे संबंधित और तुलना करते हैं। यह तथ्य कि रैखिक अणु का ऊर्जा स्तर एकल विखंडन के लिए अनुकूल है, अधिक कुशल सौर पैनल विकसित करने के समग्र प्रयास में उपयोगी ज्ञान साबित हो सकता है।

डैनियल ने कहा, "यह एकल विखंडन के पीछे प्रमुख प्रेरक कारकों में से एक है - पारंपरिक सौर कोशिकाओं की सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता लगभग 33 प्रतिशत है, लेकिन यह माना गया है कि एकल विखंडन प्रदर्शित करने वाली सामग्रियां उस सीमा को तोड़ सकती हैं और अधिक कुशल हो सकती हैं।" क्लॉडिनो, ओआरएनएल के क्वांटम कम्प्यूटेशनल साइंस समूह में एक शोध वैज्ञानिक और परियोजना के प्रमुख अन्वेषक। "नकारात्मक पक्ष यह है कि मौलिक रूप से यह समझना कि क्या एक निश्चित सामग्री एकल विखंडन प्रदर्शित करती है, बहुत कठिन है। एक विशिष्ट ऊर्जावान आवश्यकता है, और इसे पूरा करने वाली सामग्री ढूंढना कठिन है।

प्रबंधनीय कम्प्यूटेशनल लागत के लिए अपनी उच्च सटीकता के साथ, क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करने के लिए ओआरएनएल टीम का दृष्टिकोण अणुओं की पहचान करने के लिए एक प्रभावी सिमुलेशन विधि प्रदान करता है जो शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीकों में आमतौर पर पाए जाने वाले अनुमानों को दरकिनार करते हुए एकल विखंडन गुणों को प्रदर्शित करता है। इसके कार्य के परिणाम थे में प्रकाशित द जर्नल ऑफ़ फिजिकल केमिस्ट्री लेटर्स.

एकल विखंडन एक बहुस्तरीय घटना है, इसलिए ओआरएनएल टीम को एक कम्प्यूटेशनल विधि की आवश्यकता थी जो सटीक ऊर्जावान संख्याओं की गणना करने के लिए सभी प्रक्रिया के क्वांटम राज्यों का समान स्तर पर वर्णन कर सके। वे मुड़ गये सार्वजनिक वितरण प्रणाली, जो पीटर्स-डेवरीज़-सोल्डैटोव दृष्टिकोण पर आधारित एक क्वांटम सॉल्वर है और प्रशांत नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी में विकसित किया गया है।

पीडीएस किसी सामग्री के ऊर्जावान गुणों को निर्धारित करने के लिए शास्त्रीय रणनीतियों पर कुछ फायदे रखता है, जिसमें घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत की तुलना में बहुत अधिक सटीकता और युग्मित क्लस्टर सिद्धांत की तुलना में कम कम्प्यूटेशनल मांग शामिल है। और, क्योंकि इसे क्वांटम रसायन विज्ञान में सिमुलेशन की सटीकता और दक्षता में सुधार करने के लिए विकसित किया गया था, पीडीएस क्वांटम कंप्यूटर के संभावित लाभों का लाभ उठाने के लिए उपयुक्त है।

क्लॉडिनो ने कहा, "एकल विखंडन की ऊर्जा दोहरे इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजनाओं के इर्द-गिर्द घूमती है - दो इलेक्ट्रॉन एक साथ उच्च ऊर्जा स्तर तक बढ़ते हैं, जिसे पारंपरिक कंप्यूटरों के लिए एल्गोरिदम के साथ निर्धारित करना काफी मुश्किल है।" “लेकिन क्वांटम कंप्यूटर जिस अंतर्निहित तरीके से काम करता है, वह स्वाभाविक रूप से क्वांटम सहसंबंधों का इलाज कर सकता है जो इस एकल-विखंडन घटना को जन्म देते हैं। तभी हमें यह एहसास हुआ कि, 'हां, हमें किसी ऐसी चीज़ का इलाज करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करना चाहिए जो स्वाभाविक रूप से क्वांटम है।' यह सर्वविदित है. लेकिन मुझे लगता है कि हम सबसे पहले यह महसूस करने वाले थे कि इसमें इस विशिष्ट समस्या के लिए आवेदन है।

क्वांटम कम्प्यूटिंग - ओएलसीएफ के एक्सास्केल-क्लास जैसे शास्त्रीय सुपर कंप्यूटर की तुलना में एक तकनीक अभी भी अपने प्रारंभिक चरण में है सीमांत - गणना करने के लिए क्वांटम बिट्स या क्विबिट्स का उपयोग करता है। शास्त्रीय कंप्यूटरों में उपयोग किए जाने वाले बाइनरी बिट्स के विपरीत, क्विबिट्स 1s और 0s से आगे बढ़कर मिश्रित सुपरपोजिशन में 1 और 0 का एक साथ उपयोग करते हैं, जिससे क्वांटम यांत्रिकी पर आधारित कुछ समीकरणों के लिए इसकी प्रसंस्करण शक्ति में तेजी से वृद्धि होती है। हालाँकि, क्वांटम कंप्यूटर सिस्टम अभी भी उच्च त्रुटि दर से ग्रस्त हैं, और टीम को विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए इस चुनौती की भरपाई करनी पड़ी।

क्लॉडिनो ने कहा, "जब त्रुटियों से बचने की बात आती है तो सुरक्षित रहने के लिए कई और माप करना बेहतर होता है, लेकिन तब हम इस एल्गोरिदम को समय पर चलाने में सक्षम नहीं होंगे।" “तभी हम अपनी गणना के आकार को कुछ हद तक कम करने के लिए माप अनुकूलन के साथ आए जो कंप्यूटिंग समय के संदर्भ में उचित था। हम उस चीज़ से चले गए जो निषेधात्मक रूप से बड़ी थी जो क्वांटम हार्डवेयर के लिए उत्तरदायी थी।

ओआरएनएल टीम के सदस्यों ने अपने प्रोजेक्ट के कम्प्यूटेशनल कार्यभार को कम करने के लिए तीन स्वतंत्र रणनीतियों को लागू किया, जिससे समाधान के लिए उनका समय महीनों से घटकर कुछ सप्ताह हो गया। सबसे पहले, क्विबिट टेपरिंग नामक तकनीक में, उन्होंने समस्या को व्यक्त करने के लिए आवश्यक क्विबिट की संख्या कम कर दी, जिससे समस्या का आकार ही कम हो गया। दूसरा, उन्होंने प्रत्येक समूह से प्रत्येक व्यक्तिगत शब्द को मापने के बजाय शब्दों के समूहों को एक बार मापकर समस्या को हल करने के लिए कम माप लिया (एक प्रक्रिया जिसे क्वबिट-वार कम्यूटेटिविटी कहा जाता है)। तीसरा, प्रत्येक सर्किट को व्यक्तिगत रूप से लागू करने के बजाय, उन्होंने समानांतर में चार सर्किट चलाने का एक तरीका खोजा, जिससे उन्हें H20-1 में सभी 1 क्यूबिट का उपयोग करने की अनुमति मिली। चित्रण श्रेय: एडम मालिन/ओआरएनएल।

ओआरएनएल टीम के सदस्यों ने समस्या के कम्प्यूटेशनल कार्यभार को कम करने के लिए तीन स्वतंत्र रणनीतियों को लागू किया, जिससे समाधान के लिए उनका समय महीनों से कम होकर कुछ सप्ताह हो गया। सबसे पहले, क्विबिट टेपरिंग नामक तकनीक में, उन्होंने समस्या को व्यक्त करने के लिए आवश्यक क्विबिट की संख्या कम कर दी, जिससे समस्या का आकार ही कम हो गया। दूसरा, उन्होंने प्रत्येक समूह से प्रत्येक व्यक्तिगत पद को मापने के बजाय शब्दों के समूहों को एक बार मापकर समस्या को हल करने के लिए कम माप लिया। तीसरा, प्रत्येक सर्किट को व्यक्तिगत रूप से लागू करने के बजाय, उन्होंने समानांतर में चार सर्किट चलाने का एक तरीका खोजा, जिससे उन्हें H20-1 में सभी 1 क्यूबिट का उपयोग करने की अनुमति मिली।

“हमें एहसास हुआ कि अगर हम इस पूरी चीज़ को क्वांटम कंप्यूटर में डालना चाहते हैं, तो यह काम नहीं करेगा क्योंकि यह अभी भी मौजूदा तकनीक के लिए बहुत ज़्यादा है। विचार यह है कि आप क्वांटम कंप्यूटर में टैप करने के तरीके की कल्पना करना चाहते हैं, लेकिन केवल उन विशिष्ट कार्यों के लिए जिनके बारे में हम जानते हैं कि वे पारंपरिक कंप्यूटरों से बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं, ”क्लॉडिनो ने कहा। “फिर भी, फिर भी, आप अभी भी कला की वर्तमान स्थिति से सीमित हैं जो हमें या तो एक निश्चित आकार तक जाने की अनुमति देता है या ऐसे कार्य करने की अनुमति देता है जिनमें केवल इतना समय लगता है। क्वांटम कंप्यूटर की ओर रुख करते समय यह प्रमुख बाधा है।

ओआरएनएल टीम की परियोजना ने दैनिक जीवन को प्रभावित करने वाली वैज्ञानिक समस्याओं से निपटने के लिए वर्तमान क्वांटम कंप्यूटरों की व्यवहार्यता का प्रदर्शन किया। हालाँकि क्लॉडिनो को जल्द ही एकल विखंडन से फिर से निपटने की उम्मीद नहीं है, उनकी टीम अन्य समस्याओं पर विचार कर रही है - जैसे कि "पदार्थ और प्रकाश की परस्पर क्रिया" - जिसे इस परियोजना में प्रदर्शित क्वांटम कंप्यूटिंग तकनीकों का उपयोग करके हल किया जा सकता है।

“हालांकि हमारे द्वारा उपयोग किए गए दृष्टिकोण पहले ही प्रकाशित हो चुके हैं, मैं कहूंगा कि वे व्यापक रूप से अपनाए जाने से बहुत दूर हैं। मुझे लगता है कि हम ऐसे दृष्टिकोणों के उपयोग के लिए एक मजबूत मामला बनाते हैं," क्लॉडिनो ने कहा। "शोधकर्ताओं को इस बात का ध्यान रखना चाहिए कि वे इन तकनीकों का लाभ न उठाकर क्वांटम संसाधनों को बर्बाद कर रहे हैं और संभावित रूप से अपने सिमुलेशन में त्रुटियों को बढ़ा रहे हैं।"

संबंधित प्रकाशन:
क्लॉडिनो, डी., एट. अल., "क्वांटम कंप्यूटर पर एकल विखंडन मॉडलिंग," द जर्नल ऑफ़ फिजिकल केमिस्ट्री लेटर्स ; (2023) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01106

स्रोत: कोरी टर्ज़िन, ओआरएनएल

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• स्रोत: https://insidehpc.com/2023/07/oak-ridge-scientists-use-quantum-computer-for-solar-cell-research/