भौतिकविदों ने आख़िरकार एक ऐसी समस्या ढूंढ ली जो केवल क्वांटम कंप्यूटर ही कर सकते हैं | क्वांटा पत्रिका

क्वांटम कंप्यूटर कम्प्यूटेशनल सुपरपावर बनने के लिए तैयार हैं, लेकिन शोधकर्ताओं ने लंबे समय से एक व्यवहार्य समस्या की तलाश की है जो क्वांटम लाभ प्रदान करती है - जिसे केवल क्वांटम कंप्यूटर ही हल कर सकता है। उनका तर्क है कि केवल तभी प्रौद्योगिकी को अंततः आवश्यक माना जाएगा।

वे दशकों से तलाश कर रहे हैं। "इसके चुनौतीपूर्ण होने का एक कारण यह है कि शास्त्रीय कंप्यूटर अपने द्वारा किए जाने वाले कई कामों में बहुत अच्छे हैं," उन्होंने कहा जॉन प्रेस्किल, कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी।

1994 में, पीटर शोर ने खोजा एक संभावना: बड़ी संख्याओं के गुणनखंडन के लिए एक क्वांटम एल्गोरिदम। शोर का एल्गोरिदम शक्तिशाली है और व्यापक रूप से माना जाता है कि यह सभी शास्त्रीय एल्गोरिदम को हरा देता है; जब क्वांटम कंप्यूटर पर चलाया जाता है, तो इसमें इंटरनेट की अधिकांश सुरक्षा प्रणालियों को तोड़ने की क्षमता होती है, जो बड़ी संख्या में फैक्टरिंग की कठोरता पर निर्भर होती है। लेकिन यह जितना प्रभावशाली है, एल्गोरिदम केवल अनुसंधान क्षेत्रों के एक संकीर्ण हिस्से के लिए प्रासंगिक है, और यह संभव है कि कल कोई शास्त्रीय मशीन पर बड़ी संख्याओं को कारक बनाने का एक कुशल तरीका ढूंढ लेगा, जिससे शोर का एल्गोरिदम विवादास्पद हो जाएगा। शोर की संकीर्ण प्रयोज्यता ने अनुसंधान समुदाय को क्वांटम मशीनों के लिए अन्य उपयोग के मामलों की खोज करने के लिए प्रेरित किया है जो वास्तव में नई वैज्ञानिक खोज करने में मदद कर सकते हैं।

“हम सिर्फ एक काम के लिए कंप्यूटर नहीं बनाना चाहते,” उन्होंने कहा सूनवोन चोई, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में एक भौतिक विज्ञानी। "शोर के एल्गोरिदम के अलावा, हम क्वांटम कंप्यूटर के साथ और क्या कर सकते हैं?"

जैसा कि प्रीस्किल कहते हैं, "हमें उन समस्याओं को ढूंढना होगा जो शास्त्रीय रूप से कठिन हैं, लेकिन फिर हमें यह दिखाना होगा कि क्वांटम विधियां वास्तव में कुशल होंगी।"

कुछ बार, शोधकर्ताओं ने सोचा कि उन्होंने ऐसा कर लिया है, क्वांटम एल्गोरिदम की खोज की है जो किसी भी शास्त्रीय कंप्यूटर की तुलना में समस्याओं को तेजी से हल कर सकता है। लेकिन फिर कोई - अक्सर युवा शोधकर्ता इविन टैंगो - चतुर नए शास्त्रीय एल्गोरिदम के साथ आए जो क्वांटम वाले से बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं।

अब, प्रीस्किल सहित भौतिकविदों की एक टीम हो सकती है अभी तक का सबसे अच्छा उम्मीदवार मिला क्वांटम लाभ के लिए. कुछ क्वांटम प्रणालियों की ऊर्जा का अध्ययन करके, उन्होंने एक विशिष्ट और उपयोगी प्रश्न की खोज की जिसका उत्तर देना क्वांटम मशीन के लिए आसान है, लेकिन शास्त्रीय मशीन के लिए अभी भी कठिन है। "क्वांटम एल्गोरिदम सिद्धांत पर यह बड़ी प्रगति है," ने कहा सर्गेई ब्रावी, आईबीएम में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी और कंप्यूटर वैज्ञानिक। "उनका परिणाम रसायन विज्ञान और भौतिक विज्ञान की प्रासंगिकता वाली समस्या के लिए एक क्वांटम लाभ है।"

शोधकर्ता इस बात से भी उत्साहित हैं कि नया कार्य भौतिक विज्ञान के अप्रत्याशित नए क्षेत्रों की खोज करता है। चोई ने कहा, "यह नई क्षमता गुणात्मक रूप से [शोर की तुलना में] भिन्न है और संभावित रूप से क्वांटम एल्गोरिदम की दुनिया में कई नए अवसर खोलती है।"

समस्या विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं में क्वांटम सिस्टम (आमतौर पर परमाणु) के गुणों से संबंधित है। जब परमाणु अवस्थाओं के बीच कूदते हैं, तो उनके गुण बदल जाते हैं। उदाहरण के लिए, वे एक विशेष रंग का प्रकाश उत्सर्जित कर सकते हैं, या चुंबकीय बन सकते हैं। यदि हम विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं में सिस्टम के गुणों की बेहतर भविष्यवाणी करना चाहते हैं, तो यह सिस्टम को समझने में मदद करता है जब यह अपनी सबसे कम उत्तेजित अवस्था में होता है, जिसे वैज्ञानिक जमीनी अवस्था कहते हैं।

"बहुत सारे रसायनज्ञ, सामग्री वैज्ञानिक और क्वांटम भौतिक विज्ञानी जमीनी स्थिति खोजने पर काम कर रहे हैं," ने कहा रॉबर्ट हुआंग, नए पेपर लेखकों में से एक और Google क्वांटम AI में एक शोध वैज्ञानिक। "यह अत्यंत कठिन माना जाता है।"

यह इतना कठिन है कि एक सदी से अधिक समय तक काम करने के बाद भी, शोधकर्ताओं को पहले सिद्धांतों से सिस्टम की जमीनी स्थिति निर्धारित करने के लिए एक प्रभावी कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण नहीं मिला है। न ही क्वांटम कंप्यूटर के लिए ऐसा करने का कोई तरीका दिखाई देता है। वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला है कि किसी सिस्टम की जमीनी स्थिति का पता लगाना शास्त्रीय और क्वांटम कंप्यूटर दोनों के लिए कठिन है।

लेकिन कुछ भौतिक प्रणालियाँ अधिक जटिल ऊर्जा परिदृश्य प्रदर्शित करती हैं। ठंडा होने पर, ये जटिल प्रणालियाँ अपनी जमीनी अवस्था में नहीं, बल्कि पास के निम्न ऊर्जा स्तर पर, जिसे स्थानीय न्यूनतम ऊर्जा स्तर के रूप में जाना जाता है, बसने में संतुष्ट हैं। (भौतिकी में 2021 के नोबेल पुरस्कार का एक हिस्सा सिस्टम के ऐसे सेट में काम के लिए प्रदान किया गया था, जिसे इस नाम से जाना जाता है चश्मा घुमाओ.) शोधकर्ताओं को आश्चर्य होने लगा कि क्या किसी प्रणाली के स्थानीय न्यूनतम ऊर्जा स्तर को निर्धारित करने का प्रश्न भी सार्वभौमिक रूप से कठिन है।

उत्तर पिछले साल सामने आने शुरू हुए, जब ची-फैंग (एंथनी) चेनहाल के पेपर के एक अन्य लेखक ने एक नया विकास करने में मदद की क्वांटम एल्गोरिथ्म जो क्वांटम थर्मोडायनामिक्स का अनुकरण कर सकता है (जो क्वांटम सिस्टम पर गर्मी, ऊर्जा और काम के प्रभाव का अध्ययन करता है)। हुआंग ने कहा, "मुझे लगता है कि कई लोगों ने इस सवाल पर शोध किया है कि क्वांटम सिस्टम में ऊर्जा परिदृश्य कैसा दिखता है, लेकिन पहले इसका विश्लेषण करने के लिए कोई उपकरण नहीं था।" चेन के एल्गोरिदम ने एक विंडो खोलने में मदद की कि ये सिस्टम कैसे संचालित होते हैं।

यह देखने पर कि नया उपकरण कितना शक्तिशाली था, हुआंग और लियो झोउनए पेपर के चौथे और अंतिम लेखक, ने आदर्श जमीनी स्थिति का पीछा करने के बजाय सिस्टम की स्थानीय न्यूनतम ऊर्जा स्थिति को निर्धारित करने के लिए क्वांटम कंप्यूटरों के लिए एक तरीका डिजाइन करने के लिए इसका इस्तेमाल किया - एक ऐसा दृष्टिकोण जो क्वांटम कंप्यूटिंग शोधकर्ताओं के सवाल पर ही केंद्रित था। थे आर यू। "अब हमारे पास एक समस्या है: ऊर्जा की स्थानीय मात्रा खोजना, जो शास्त्रीय रूप से अभी भी कठिन है, लेकिन जिसे हम कह सकते हैं कि मात्रात्मक रूप से आसान है," प्रेस्किल ने कहा। "तो यह हमें उस क्षेत्र में खड़ा करता है जहां हम क्वांटम लाभ के लिए रहना चाहते हैं।"

प्रीस्किल के नेतृत्व में, लेखकों ने न केवल सिस्टम की स्थानीय न्यूनतम ऊर्जा स्थिति का निर्धारण करने के लिए अपने नए दृष्टिकोण की शक्ति को साबित किया - क्वांटम भौतिकी के क्षेत्र में बड़ी प्रगति - बल्कि यह भी साबित किया कि यह अंततः एक समस्या थी जहां क्वांटम कंप्यूटर अपना मूल्य दिखा सकते थे। हुआंग ने कहा, "स्थानीय न्यूनतम खोजने की समस्या का बड़ा फायदा है।"

और पिछले उम्मीदवारों के विपरीत, यह संभवतः किसी भी नए शास्त्रीय एल्गोरिदम द्वारा अलग नहीं किया जाएगा। चोई ने कहा, "[इसकी] मात्रा निर्धारित होने की संभावना नहीं है।" प्रीस्किल की टीम ने बहुत ही प्रशंसनीय धारणाएँ बनाईं और कुछ तार्किक छलांगें लगाईं; यदि कोई शास्त्रीय एल्गोरिदम समान परिणाम प्राप्त कर सकता है, तो इसका मतलब है कि भौतिक विज्ञानी कई अन्य चीजों के बारे में गलत होंगे। चोई ने कहा, "यह एक चौंकाने वाला परिणाम होगा।" "मैं इसे देखने के लिए उत्साहित होऊंगा, लेकिन इस पर विश्वास करना बहुत चौंकाने वाला होगा।" नया कार्य क्वांटम लाभ प्रदर्शित करने के लिए एक व्यवहार्य और आशाजनक उम्मीदवार प्रस्तुत करता है।

स्पष्ट होने के लिए, नया परिणाम अभी भी सैद्धांतिक प्रकृति का है। वास्तविक क्वांटम कंप्यूटर पर इस नए दृष्टिकोण का प्रदर्शन वर्तमान में असंभव है। ऐसी मशीन बनाने में समय लगेगा जो समस्या के क्वांटम लाभ का पूरी तरह से परीक्षण कर सके। तो ब्रैवी के लिए, काम अभी शुरुआत है। "अगर आप देखें कि पांच साल पहले क्या हुआ था, तो हमारे पास केवल कुछ क्विबिट क्वांटम कंप्यूटर थे, और अब हमारे पास पहले से ही सैकड़ों या यहां तक ​​कि 1,000-क्विबिट मशीनें हैं," उन्होंने कहा। “यह भविष्यवाणी करना बहुत कठिन है कि पाँच या 10 वर्षों में क्या होगा। यह एक बहुत ही गतिशील क्षेत्र है।”

भूल सुधार: मार्च २०,२०२१
क्वांटम लाभ वाली समस्या की खोज का अधिक स्पष्ट रूप से वर्णन करने के लिए इस लेख को संपादित किया गया है।