मात्रा निर्धारित करने की खोज | क्वांटा पत्रिका

40 साल से अधिक समय हो गया है जब भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन ने बताया था कि क्वांटम सिद्धांतों पर आधारित कंप्यूटिंग उपकरणों का निर्माण "शास्त्रीय" कंप्यूटरों की तुलना में कहीं अधिक शक्तियों को अनलॉक कर सकता है। 1981 के मुख्य भाषण में अक्सर क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र को लॉन्च करने का श्रेय दिया जाता है, फेनमैन ने एक अब-प्रसिद्ध चुटकी के साथ निष्कर्ष निकाला:

"प्रकृति शास्त्रीय नहीं है, धिक्कार है, और यदि आप प्रकृति का अनुकरण करना चाहते हैं, तो बेहतर होगा कि आप इसे क्वांटम मैकेनिकल बनाएं।"

लगभग 30 साल हो गए हैं जब गणितज्ञ पीटर शोर ने क्वांटम कंप्यूटर के लिए पहला संभावित परिवर्तनकारी उपयोग प्रस्तुत किया था। डिजिटल दुनिया की अधिकांश सुरक्षा इसी धारणा पर बनी है बड़ी संख्याओं का गुणनखंडन करना एक चुनौतीपूर्ण और समय लेने वाला कार्य है। शोर ने दिखाया कि क्वैबिट्स का उपयोग कैसे करें - क्वांटम वस्तुएं जो 0 और 1 के मिश्रण में मौजूद हो सकती हैं - इसे दिल की धड़कन में करने के लिए, कम से कम ज्ञात शास्त्रीय तरीकों के सापेक्ष।

शोधकर्ताओं को पूरा विश्वास है (हालाँकि पूरी तरह से निश्चित नहीं है) कि शोर का क्वांटम एल्गोरिदम सभी शास्त्रीय एल्गोरिदम को मात देता है क्योंकि - जबरदस्त प्रोत्साहन के बावजूद - किसी ने भी शास्त्रीय मशीन के साथ आधुनिक एन्क्रिप्शन को सफलतापूर्वक नहीं तोड़ा है। लेकिन फैक्टरिंग से कम ग्लैमरस कार्यों के लिए, यह है निश्चित रूप से कहना कठिन है क्या क्वांटम विधियाँ श्रेष्ठ हैं। आगे के ब्लॉकबस्टर एप्लिकेशन की खोज करना एक बेतरतीब अनुमान लगाने वाले खेल जैसा हो गया है।

"यह इस बारे में जाने का एक मूर्खतापूर्ण तरीका है," उन्होंने कहा क्रिस्टल नोएल, ड्यूक विश्वविद्यालय में एक भौतिक विज्ञानी।

पिछले 20 वर्षों में, गणितीय रूप से इच्छुक भौतिकविदों और शारीरिक रूप से इच्छुक गणितज्ञों के एक ढीले संघ ने क्वांटम क्षेत्र की शक्ति को अधिक स्पष्ट रूप से पहचानने का प्रयास किया है। उनके लक्ष्य? क्वांटमनेस को मापने का एक तरीका खोजने के लिए। वे एक संख्या का सपना देखते हैं जिसे वे कुछ क्वांटम गणना द्वारा उत्पादित क्वैबिट की व्यवस्था के लिए निर्दिष्ट कर सकते हैं। यदि संख्या कम है, तो उस गणना को लैपटॉप पर अनुकरण करना आसान होगा। यदि यह उच्च है, तो क्वैबिट किसी भी शास्त्रीय उपकरण की पहुंच से परे वास्तव में कठिन समस्या के उत्तर का प्रतिनिधित्व करता है।

संक्षेप में, शोधकर्ता क्वांटम उपकरणों की संभावित शक्ति के मूल में भौतिक घटक की तलाश कर रहे हैं।

"यही वह जगह है जहां क्वांटमनेस एक अत्यंत कठोर अर्थ में शुरू होती है," ने कहा बिल फेफरमैन, शिकागो विश्वविद्यालय में एक क्वांटम शोधकर्ता।

उनकी खोज फलदायी रही है - शायद बहुत अधिक फलदायी। एक मीट्रिक खोजने के बजाय, शोधकर्ताओं ने तीन पर ठोकर खाई है, जिनमें से प्रत्येक क्वांटम और शास्त्रीय क्षेत्र को अलग करने का एक अलग तरीका है। इस बीच, भौतिकविदों ने आश्चर्य करना शुरू कर दिया है कि क्या तीनों में से सबसे कम ठोस मात्रा क्वांटम कंप्यूटर के बाहर दिखाई देती है। प्रारंभिक अध्ययनों से पता चला है कि ऐसा होता है, और यह क्वांटम पदार्थ के चरणों और ब्लैक होल की विनाशकारी प्रकृति पर नियंत्रण पाने के लिए एक नया तरीका पेश कर सकता है।

इन कारणों से, भौतिकविदों और कंप्यूटर वैज्ञानिकों दोनों ने इस तीन-भाग वाले क्वांटम साम्राज्य की सटीक स्थलाकृति का पता लगाने का प्रयास किया है। इस गर्मी में, अनुसंधान समूहों की तिकड़ी ने घोषणा की कि उन्होंने तीन प्रांतों में से सबसे कम परिचित का अब तक का सबसे अच्छा नक्शा तैयार किया है, जिसमें यह समझने के लिए महत्वपूर्ण विवरण शामिल हैं कि शास्त्रीय कहां समाप्त होता है और वास्तव में क्वांटम कहां शुरू होता है।

उन्होंने कहा, "यह समझना काफी मौलिक है कि यह क्षितिज कहां है।" कामिल कोरज़ेकवा पोलैंड में जगियेलोनियन विश्वविद्यालय के, नए कार्यों के पीछे शोधकर्ताओं में से एक। "क्वांटम के बारे में वास्तव में क्वांटम क्या है?"

नाज़ुक हालत

1990 के दशक में, क्वांटम कंप्यूटर को शक्तिशाली बनाने वाला भौतिक घटक स्पष्ट प्रतीत होता था। इसे उलझाना था, दूर के कणों के बीच "डरावना" क्वांटम लिंक जिसे इरविन श्रोडिंगर ने खुद "क्वांटम यांत्रिकी की विशेषता विशेषता" के रूप में पहचाना था।

"उलझन का उल्लेख बहुत जल्दी किया गया था," कहा रिचर्ड जोज़सा, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में गणितज्ञ। "और हर किसी ने मान लिया कि यही था।"

कुछ समय के लिए, ऐसा लगा कि उस महत्वपूर्ण क्वांटम मसाले की खोज शुरू होने से पहले ही समाप्त हो गई थी।

एंटैंगलमेंट, वह घटना जिसमें दो क्वांटम कण एक साझा स्थिति बनाते हैं, क्वांटम यांत्रिकी करने में जो कठिन था उसे समाहित कर लिया - और इसलिए क्वांटम कंप्यूटर किसमें उत्कृष्टता प्राप्त कर सकते हैं। जब कण उलझे नहीं होते हैं, तो आप उन पर व्यक्तिगत रूप से नज़र रख सकते हैं। लेकिन जब कण उलझ जाते हैं, तो सिस्टम में एक कण को ​​संशोधित करने या हेरफेर करने में अन्य उलझे हुए कणों के साथ इसके लिंक का हिसाब-किताब करना शामिल होता है। जैसे-जैसे आप अधिक कण जोड़ते हैं, वह कार्य तेजी से बढ़ता जाता है। की स्थिति को पूरी तरह से निर्दिष्ट करने के लिए n उलझे हुए क्वबिट्स, आपको 2 जैसा कुछ चाहिएⁿ शास्त्रीय बिट्स; एक क्यूबिट में बदलाव के प्रभाव की गणना करने के लिए, आपको लगभग 2 का प्रदर्शन करना होगाⁿ शास्त्रीय संचालन. तीन क्विट के लिए यह केवल आठ चरण हैं। लेकिन 10 क्यूबिट के लिए यह 1,024 है - तेजी से बढ़ने वाली चीजों की गणितीय परिभाषा।

2002 में, जोज़सा ने क्वांटम "सर्किट" का अनुकरण करने के लिए एक शास्त्रीय कंप्यूटर का उपयोग करने के लिए एक सरल प्रक्रिया पर काम करने में मदद की, जो कि क्वैबिट पर किए गए संचालन की एक विशिष्ट श्रृंखला है। यदि आपने शास्त्रीय कार्यक्रम को क्वैबिट की कुछ प्रारंभिक व्यवस्था दी है, तो यह क्वांटम सर्किट से गुजरने के बाद उनकी अंतिम व्यवस्था की भविष्यवाणी करेगा। जोज़सा ने साबित कर दिया कि, जब तक उसका एल्गोरिदम एक ऐसे सर्किट का अनुकरण करता है जो क्वैबिट को उलझाता नहीं है, यह चलने में बहुत अधिक समय लगाए बिना बड़ी और बड़ी संख्या में क्वैबिट को संभाल सकता है।

दूसरे शब्दों में, उन्होंने दिखाया कि एक उलझाव-मुक्त क्वांटम सर्किट को एक शास्त्रीय कंप्यूटर पर अनुकरण करना आसान था। कम्प्यूटेशनल अर्थ में, सर्किट आंतरिक रूप से क्वांटम नहीं था। ऐसे सभी गैर-उलझाने वाले सर्किटों का संग्रह (या, समकक्ष, क्वैबिट की सभी व्यवस्थाएं जो इन गैर-उलझाने वाले सर्किटों से निकल सकती हैं) ने एक विशाल क्वांटम समुद्र में एक शास्त्रीय रूप से अनुकरणीय द्वीप का निर्माण किया।

इस समुद्र में वास्तव में क्वांटम सर्किट से उत्पन्न राज्य थे, जिनके लिए शास्त्रीय सिमुलेशन में अरबों साल लग सकते थे। इस कारण से, शोधकर्ता उलझाव को न केवल एक क्वांटम संपत्ति के रूप में, बल्कि एक क्वांटम संसाधन के रूप में मानने लगे: यह वही था जो आपको अज्ञात गहराई तक पहुंचने के लिए आवश्यक था, जहां शोर जैसे शक्तिशाली क्वांटम एल्गोरिदम रहते थे।

आज, उलझाव अभी भी सबसे अधिक अध्ययन किया जाने वाला क्वांटम संसाधन है। "यदि आप 99 में से 100 भौतिकविदों से पूछें [क्या क्वांटम सर्किट को शक्तिशाली बनाता है], तो पहली चीज़ जो दिमाग में आती है वह उलझाव है," फ़ेफ़रमैन ने कहा।

और जटिलता के साथ उलझाव के संबंध पर सक्रिय शोध जारी है। उदाहरण के लिए, फ़ेफ़रमैन और उनके सहयोगी, पिछले साल दिखाया गया था क्वांटम सर्किट के एक विशेष वर्ग के लिए, उलझाव पूरी तरह से यह निर्धारित करता है कि सर्किट को शास्त्रीय रूप से अनुकरण करना कितना कठिन है। "जैसे ही आप एक निश्चित मात्रा में उलझाव तक पहुँचते हैं," फ़ेफ़रमैन ने कहा, "आप वास्तव में कठोरता साबित कर सकते हैं। कोई [शास्त्रीय] एल्गोरिदम नहीं है जो काम करेगा।

लेकिन फ़ेफ़रमैन का प्रमाण सर्किट के केवल एक ही स्वाद पर आधारित है। और 20 साल पहले भी, शोधकर्ता पहले से ही यह पहचान रहे थे कि केवल उलझाव ही क्वांटम महासागर की समृद्धि को पकड़ने में विफल रहा है।

"उलझन की आवश्यक भूमिका के बावजूद," जोज़सा और उनके सहयोगी ने अपने 2002 के पेपर में लिखा, "हम तर्क देते हैं कि फिर भी उलझाव को क्वांटम कम्प्यूटेशनल शक्ति के लिए एक प्रमुख संसाधन के रूप में देखना भ्रामक है।"

यह पता चला कि क्वांटमनेस की खोज अभी शुरू ही हुई थी।

 थोड़ा सा जादू

जोज़सा को पता था कि उलझाव क्वांटमनेस पर अंतिम शब्द नहीं था, क्योंकि उनके काम से चार साल पहले, भौतिक विज्ञानी डेनियल गॉट्समैन अन्यथा दिखाया था. 1998 में तस्मानिया, गोट्समैन में एक सम्मेलन में समझाया कि, एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम सर्किट में, प्रतीत होता है कि सर्वोत्कृष्ट क्वांटम मात्रा एक शास्त्रीय कंप्यूटर के अनुकरण के लिए एक छोटी सी चीज़ बन गई है।

गॉट्समैन की विधि में (जिसकी चर्चा उन्होंने गणितज्ञ इमानुएल निल के साथ की थी), उलझाने वाले ऑपरेशन की लागत मूलतः कुछ भी नहीं थी। आप जितनी चाहें उतनी क्विबिट्स को उलझा सकते हैं, और एक क्लासिकल कंप्यूटर अभी भी उलझा रह सकता है।

कोरज़ेकवा ने कहा, "यह 90 के दशक में पहले आश्चर्यों में से एक था, गोट्समैन-निल प्रमेय।"

उलझाव को शास्त्रीय रूप से अनुकरण करने की क्षमता एक चमत्कार की तरह लग रही थी, लेकिन इसमें एक दिक्कत थी। गॉट्समैन-निल एल्गोरिदम सभी क्वांटम सर्किटों को संभाल नहीं सका, केवल वे जो तथाकथित क्लिफ़ोर्ड गेट्स से चिपके हुए थे। लेकिन यदि आपने एक "टी गेट" जोड़ा है, जो एक अहानिकर गैजेट है जो एक विशेष तरीके से एक क्वबिट को घुमाता है, तो उनका प्रोग्राम उस पर अटक जाएगा।

यह टी गेट किसी प्रकार के क्वांटम संसाधन का निर्माण करता प्रतीत होता है - कुछ आंतरिक रूप से क्वांटम जिसे शास्त्रीय कंप्यूटर पर अनुकरण नहीं किया जा सकता है। जल्द ही, भौतिकविदों की एक जोड़ी ने निषिद्ध टी-गेट रोटेशन द्वारा उत्पादित क्वांटम सार को एक आकर्षक नाम दिया: जादू।

2004 में, रूस में लैंडौ इंस्टीट्यूट फॉर थियोरेटिकल फिजिक्स के तत्कालीन सेर्गेई ब्रावी और कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एलेक्सी किताएव ने किसी भी क्वांटम गणना को पूरा करने के लिए दो योजनाएं तैयार कीं: आप सर्किट में ही टी गेट्स को शामिल कर सकते हैं। या आप एक "ले सकते हैंजादुई अवस्था” क्वैबिट्स को एक अन्य सर्किट द्वारा टी गेट्स के साथ तैयार किया गया था और इसे क्लिफोर्ड सर्किट में फीड किया गया था। किसी भी तरह, पूर्ण मात्रा प्राप्त करने के लिए जादू आवश्यक था।

एक दशक बाद, ब्रावी और डेविड गोसेटकनाडा में वाटरलू विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता ने इस बात पर काम किया कि क्वैबिट के एक सेट में जादू की मात्रा को कैसे मापा जाए। और 2016 में, उन्होंने विकास किया लो-मैजिक सर्किट के अनुकरण के लिए एक शास्त्रीय एल्गोरिदम। उनके कार्यक्रम में प्रत्येक अतिरिक्त टी गेट के लिए तेजी से अधिक समय लगा, हालांकि घातीय वृद्धि उतनी विस्फोटक नहीं है जितनी अन्य मामलों में है। अंततः उन्होंने सैकड़ों क्लिफ़ोर्ड द्वारों और लगभग 50 टी द्वारों के साथ कुछ हद तक जादुई सर्किट का शास्त्रीय अनुकरण करके अपनी पद्धति की दक्षता को बढ़ाया।

आज, कई शोधकर्ता क्वांटम कंप्यूटर को क्लिफोर्ड मोड (या उसके करीब) में संचालित करते हैं, ठीक इसलिए क्योंकि वे यह जांचने के लिए एक शास्त्रीय कंप्यूटर का उपयोग कर सकते हैं कि खराब डिवाइस ठीक से काम कर रहे हैं या नहीं। गोसेट ने कहा, "क्लिफोर्ड सर्किट क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए इतना केंद्रीय है कि इसे बढ़ा-चढ़ाकर बताना मुश्किल है।"

एक नया क्वांटम संसाधन - जादू - खेल में प्रवेश कर चुका था। लेकिन उलझाव के विपरीत, जो एक परिचित भौतिक घटना के रूप में शुरू हुआ, भौतिकविदों को यकीन नहीं था कि जादू क्वांटम कंप्यूटर के बाहर ज्यादा मायने रखता है या नहीं। हाल के नतीजों से पता चलता है कि ऐसा हो सकता है।

2021 में शोधकर्ताओं ने पहचान की क्वांटम पदार्थ के कुछ चरण इसमें जादू होने की गारंटी है, जैसा कि पदार्थ के कई चरणों में होता है उलझाव के विशेष पैटर्न. "आपको पदार्थ के चरणों का पूरा परिदृश्य प्राप्त करने के लिए जादू जैसी कम्प्यूटेशनल जटिलता के बेहतर उपायों की आवश्यकता है," ने कहा टिमोथी सीह, सैद्धांतिक भौतिकी के लिए परिधि संस्थान के एक भौतिक विज्ञानी जिन्होंने परिणाम पर काम किया। और अलिओसिया हम्मा नेपल्स विश्वविद्यालय के, अपने सहयोगियों के साथ, हाल ही में अध्ययन किया गया क्या यह संभव होगा - सिद्धांत रूप में - किसी ब्लैक होल द्वारा निगले गए डायरी के पन्नों को केवल उसके द्वारा उत्सर्जित विकिरण को देखकर फिर से बनाना। उत्तर हाँ था, हम्मा ने कहा, "यदि ब्लैक होल में बहुत अधिक जादू न हो।"

हम्मा सहित कई भौतिकविदों के लिए, किसी प्रणाली को अत्यंत क्वांटम बनाने के लिए आवश्यक भौतिक तत्व स्पष्ट प्रतीत होते हैं। उलझाव और जादू का कुछ संयोजन संभवतः आवश्यक है। कोई भी अकेला पर्याप्त नहीं है. यदि किसी राज्य का स्कोर किसी भी मीट्रिक पर शून्य है, तो आप जोज़सा (यदि उलझाव शून्य है) या ब्रावी और गॉसेट (यदि जादू शून्य है) की थोड़ी मदद से, इसे अपने लैपटॉप पर अनुकरण कर सकते हैं।

और फिर भी क्वांटम खोज जारी है, क्योंकि कंप्यूटर वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि जादू और उलझाव भी वास्तव में क्वांटमनेस की गारंटी नहीं दे सकते हैं।

फर्मिओनिक जादू

अन्य क्वांटम मीट्रिक ने लगभग एक चौथाई सदी पहले आकार लेना शुरू किया था। लेकिन हाल तक, यह तीनों में सबसे कम विकसित था।

2001 में, कंप्यूटर वैज्ञानिक लेस्ली वैलेंट अनुकरण करने का एक तरीका खोजा क्वांटम कार्यों का तीसरा परिवार. जितना जोज़सा की तकनीक बिना उलझे गेटों वाले सर्किट पर केंद्रित थी, और ब्रावी-गोसेट एल्गोरिथ्म बहुत अधिक टी गेट के बिना सर्किट के माध्यम से काट सकता था, वैलेंट का एल्गोरिदम उन सर्किटों तक ही सीमित था जिनमें "स्वैप गेट" की कमी थी - एक ऑपरेशन जो दो क्विट लेता है और उनका आदान-प्रदान करता है पद.

जब तक आप क्वैबिट का आदान-प्रदान नहीं करते हैं, तब तक आप उन्हें उलझा सकते हैं और उनमें जितना चाहें उतना जादू भर सकते हैं, और आप अभी भी खुद को एक और विशिष्ट शास्त्रीय द्वीप पर पाएंगे। लेकिन जैसे ही आप चारों ओर घूमना शुरू करते हैं, आप किसी भी शास्त्रीय कंप्यूटर की क्षमता से परे अद्भुत काम कर सकते हैं।

जोज़सा ने कहा, यह "बल्कि विचित्र" था। "सिर्फ दो क्विट की अदला-बदली से आपको वह सारी शक्ति कैसे मिल सकती है?"

कुछ ही महीनों के भीतर, सैद्धांतिक भौतिकविदों बारबरा टेरहल और डेविड डिविन्सेन्ज़ो ने इसका खुलासा कर दिया था उस शक्ति का स्रोत. उन्होंने दिखाया कि वैलेंट के स्वैप-गेट-मुक्त सर्किट, जिन्हें "मैचगेट" सर्किट के रूप में जाना जाता है, गुप्त रूप से भौतिकी समस्याओं के एक प्रसिद्ध वर्ग का अनुकरण कर रहे थे। जिस तरह कंप्यूटर बढ़ती आकाशगंगाओं या परमाणु प्रतिक्रियाओं (वास्तव में आकाशगंगा या परमाणु प्रतिक्रिया के बिना) का अनुकरण करते हैं, उसी तरह मैचगेट सर्किट फ़र्मियन के एक समूह का अनुकरण करते हैं, प्राथमिक कणों का एक परिवार जिसमें इलेक्ट्रॉन होते हैं।

जब स्वैप गेट्स का उपयोग नहीं किया जाता है, तो सिम्युलेटेड फ़र्मियन गैर-इंटरैक्टिंग, या "मुक्त" होते हैं। वे कभी एक-दूसरे से नहीं टकराते। भौतिकविदों के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों से जुड़ी समस्याओं को हल करना अपेक्षाकृत आसान है, कभी-कभी पेंसिल और कागज से भी। लेकिन जब स्वैप गेट्स का उपयोग किया जाता है, तो सिम्युलेटेड फर्मियन परस्पर क्रिया करते हैं, एक साथ दुर्घटनाग्रस्त होते हैं और अन्य जटिल चीजें करते हैं। ये समस्याएँ अत्यंत कठिन हैं, यदि हल न की जा सकें।

चूँकि मैचगेट सर्किट मुक्त, गैर-अंतःक्रियात्मक फ़र्मियन के व्यवहार का अनुकरण करते हैं, इसलिए उन्हें शास्त्रीय रूप से अनुकरण करना आसान होता है।

लेकिन प्रारंभिक खोज के बाद, मैचगेट सर्किट काफी हद तक अज्ञात रहे। वे मुख्यधारा के क्वांटम कंप्यूटिंग प्रयासों के लिए उतने प्रासंगिक नहीं थे, और उनका विश्लेषण करना अधिक कठिन था।

पिछली गर्मियों में यह बदल गया। शोधकर्ताओं के तीन समूहों ने स्वतंत्र रूप से ब्रावी, गॉसेट और उनके सहयोगियों के काम को समस्या से निपटने के लिए लाया - अनुसंधान का एक आकस्मिक अंतर्संबंध, जो कम से कम एक मामले में, तब खोजा गया था जब फर्मियन कॉफी के ऊपर आए थे (जैसा कि वे अक्सर तब करते हैं जब भौतिक विज्ञानी मिलते हैं) एक साथ)।

टीमों ने समन्वय किया और of लेकिन हाल ही निष्कर्ष जुलाई में।

सभी तीन समूहों ने अनिवार्य रूप से उन गणितीय उपकरणों को फिर से तैयार किया जो जादुई अग्रदूतों ने क्लिफोर्ड सर्किट का पता लगाने के लिए विकसित किए थे और उन्हें मैचगेट सर्किट के दायरे में लागू किया था। सेर्गी स्ट्रेलचुक और जोशुआ कुडबी कैम्ब्रिज ने क्वांटम संसाधन को गणितीय रूप से मापने पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें मैचगेट सर्किट की कमी थी। वैचारिक रूप से, यह संसाधन "अन्तरक्रियाशीलता" से मेल खाता है - या सिम्युलेटेड फ़र्मियन एक दूसरे को कितना समझ सकते हैं। किसी भी अन्तरक्रियाशीलता का अनुकरण करना शास्त्रीय रूप से आसान नहीं है, और अधिक अन्तरक्रियाशीलता अनुकरण को कठिन बना देती है। लेकिन अन्तरक्रियाशीलता की एक अतिरिक्त मात्रा ने सिमुलेशन को कितना कठिन बना दिया? और क्या कोई शॉर्टकट थे?

“हमारे पास कोई अंतर्ज्ञान नहीं था। हमें शून्य से शुरुआत करनी थी,” स्ट्रेलचुक ने कहा।

अन्य दो समूहों ने एक कठिन-से-अनुकरण वाले राज्य को आसान-से-अनुकरण योग्य राज्यों की एक बड़ी संख्या में तोड़ने का एक तरीका विकसित किया, साथ ही इस बात पर भी नज़र रखी कि ये आसान राज्य कहाँ रद्द हुए और कहाँ जोड़े गए।

परिणाम क्लिफोर्ड दुनिया से मैचगेट दुनिया में शास्त्रीय सिमुलेशन एल्गोरिदम को पोर्ट करने के लिए एक प्रकार का शब्दकोश था। "मूल रूप से उनके पास [क्लिफ़ोर्ड] सर्किट के लिए जो कुछ भी है उसका अब अनुवाद किया जा सकता है," कहा बीट्रिज़ डायसम्यूनिख में तकनीकी विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी, "इसलिए हमें इन सभी एल्गोरिदम को फिर से आविष्कार करने की ज़रूरत नहीं है।"

अब, तेज़ एल्गोरिदम कुछ स्वैप गेटों के साथ सर्किट को शास्त्रीय रूप से अनुकरण कर सकते हैं। उलझाव और जादू की तरह, प्रत्येक निषिद्ध द्वार को जोड़ने पर एल्गोरिदम में तेजी से अधिक समय लगता है। लेकिन एल्गोरिदम एक महत्वपूर्ण कदम आगे का प्रतिनिधित्व करते हैं।

ओलिवर रियरडन-स्मिथ, जिन्होंने कोरज़ेकवा और के साथ काम किया माइकल ओस्ज़मानीक वारसॉ में पोलिश एकेडमी ऑफ साइंसेज का अनुमान है कि उनका कार्यक्रम 10 महंगे स्वैप गेटों के साथ एक सर्किट का अनुकरण कर सकता है जो पहले के तरीकों की तुलना में 3 मिलियन गुना तेज है। उनका एल्गोरिदम शास्त्रीय कंप्यूटरों को क्वांटम समुद्र में थोड़ा और गहराई तक जाने की अनुमति देता है, दोनों क्वांटम कंप्यूटरों के प्रदर्शन की पुष्टि करने की हमारी क्षमता को बढ़ाते हैं और उस क्षेत्र का विस्तार करते हैं जहां कोई भी हत्यारा क्वांटम ऐप नहीं रह सकता है।

रियरडन-स्मिथ ने कहा, "क्वांटम कंप्यूटर का अनुकरण कई लोगों के लिए उपयोगी है।" "हम इसे यथासंभव शीघ्र और सस्ते में करना चाहते हैं।"

जहाँ तक स्वैप गेट्स द्वारा उत्पादित "इंटरैक्टिविटी" संसाधन को क्या कहा जाए, इसका अभी भी कोई आधिकारिक नाम नहीं है; कुछ लोग इसे बस जादू कहते हैं, और अन्य लोग "नॉनफर्मियोनिक सामान" जैसे तात्कालिक शब्द उछालते हैं। स्ट्रेलचुक "फ़र्मीओनिक जादू" को प्राथमिकता देता है।

क्षितिज पर आगे के द्वीप

अब शोधकर्ता तीन मेट्रिक्स का उपयोग करके क्वांटमनेस को मापने में सहज हो रहे हैं, जिनमें से प्रत्येक तीन शास्त्रीय सिमुलेशन विधियों में से एक के अनुरूप है। यदि क्वैबिट का संग्रह काफी हद तक उलझा हुआ है, इसमें थोड़ा जादू है, या लगभग मुक्त फ़र्मियन का एक समूह अनुकरण करता है, तो शोधकर्ताओं को पता है कि वे एक शास्त्रीय लैपटॉप पर इसके आउटपुट को पुन: पेश कर सकते हैं। इन तीन क्वांटम मेट्रिक्स में से किसी एक पर कम स्कोर वाला कोई भी क्वांटम सर्किट एक शास्त्रीय द्वीप के तट से दूर उथले क्षेत्र में स्थित है, और निश्चित रूप से अगला शोर का एल्गोरिदम नहीं होगा।

"आखिरकार, [शास्त्रीय सिमुलेशन का अध्ययन] हमें यह समझने में मदद करता है कि क्वांटम लाभ कहां पाया जा सकता है," गोसेट ने कहा।

लेकिन शोधकर्ता यह मापने के इन तीन अलग-अलग तरीकों से जितना अधिक परिचित होते हैं कि क्वैबिट का एक समूह कितना क्वांटम हो सकता है, क्वांटमनेस के सभी पहलुओं को पकड़ने वाली एकल संख्या को खोजने का प्रारंभिक सपना उतना ही अधिक भ्रामक लगता है। कड़ाई से कम्प्यूटेशनल अर्थ में, किसी भी सर्किट में सभी संभावित एल्गोरिदम में से सबसे तेज़ का उपयोग करके इसे अनुकरण करने के लिए सबसे कम समय की आवश्यकता होनी चाहिए। फिर भी उलझाव, जादू और फर्मिओनिक जादू एक-दूसरे से काफी अलग हैं, इसलिए सबसे कम समय की गणना के लिए उन्हें एक भव्य क्वांटम मीट्रिक के तहत एकीकृत करने की संभावना दूर लगती है।

जोज़सा ने कहा, "मुझे नहीं लगता कि उस सवाल का कोई मतलब है।" "ऐसी कोई भी चीज़ नहीं है जिसमें यदि आप अधिक मात्रा में फावड़ा डालते हैं, तो आपको अधिक शक्ति मिलती है।"

बल्कि, तीन क्वांटम संसाधन गणितीय भाषाओं की कलाकृतियाँ प्रतीत होते हैं जिनका उपयोग क्वांटमनेस की जटिलता को सरल ढाँचे में समेटने के लिए किया जाता है। जब आप श्रोडिंगर द्वारा बताए गए तरीके से क्वांटम यांत्रिकी का अभ्यास करते हैं, तो एंटैंगलमेंट एक संसाधन के रूप में उभरता है, जो भविष्य में एक कण की तरंग फ़ंक्शन कैसे बदल जाएगी, इसकी भविष्यवाणी करने के लिए अपने नामांकित समीकरण का उपयोग करता है। यह क्वांटम यांत्रिकी का पाठ्यपुस्तक संस्करण है, लेकिन यह एकमात्र संस्करण नहीं है।

जब गॉट्समैन ने क्लिफ़ोर्ड सर्किट के अनुकरण की अपनी विधि विकसित की, तो उन्होंने इसे वर्नर हाइजेनबर्ग द्वारा विकसित क्वांटम यांत्रिकी की एक पुरानी किस्म पर आधारित किया। हाइजेनबर्ग की गणितीय भाषा में कणों की स्थिति नहीं बदलती। इसके बजाय, यह "ऑपरेटर" हैं - गणितीय वस्तुएं जिनका उपयोग आप कुछ अवलोकन की संभावनाओं की भविष्यवाणी करने के लिए कर सकते हैं - जो विकसित होती हैं। किसी के दृष्टिकोण को मुक्त फ़र्मियन तक सीमित रखने में क्वांटम यांत्रिकी को एक अन्य गणितीय लेंस के माध्यम से देखना शामिल है।

प्रत्येक गणितीय भाषा वाक्पटुता से क्वांटम अवस्थाओं के कुछ पहलुओं को पकड़ती है, लेकिन कुछ अन्य क्वांटम संपत्ति को छिपाने की कीमत पर। ये अनाड़ी रूप से व्यक्त गुण उस गणितीय ढांचे में क्वांटम संसाधन बन जाते हैं - जादू, उलझाव, फर्मिओनिक जादू। इस सीमा पर काबू पाने और उन सभी पर शासन करने के लिए एक क्वांटम विशेषता की पहचान करने के लिए, जोज़सा का अनुमान है, क्वांटम यांत्रिकी को व्यक्त करने और उन सभी द्वारा साझा किए जा सकने वाले सार्वभौमिक लक्षणों की तलाश के लिए सभी संभावित गणितीय भाषाओं को सीखने की आवश्यकता होगी।

यह विशेष रूप से गंभीर शोध प्रस्ताव नहीं है, लेकिन शोधकर्ता प्रमुख तीन से परे क्वांटम भाषाओं और उनके साथ आने वाले संबंधित क्वांटम संसाधनों का अध्ययन कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, हसीह क्वांटम पदार्थ के उन चरणों में रुचि रखता है जो मानक तरीके से विश्लेषण करने पर निरर्थक नकारात्मक संभावनाएं उत्पन्न करते हैं। उन्होंने पाया कि यह नकारात्मकता पदार्थ के कुछ चरणों को जादू की तरह ही परिभाषित कर सकती है।

दशकों पहले, ऐसा लगता था कि सिस्टम क्वांटम क्या बनाता है, इस प्रश्न का उत्तर स्पष्ट था। आज, शोधकर्ता बेहतर जानते हैं। पहले कुछ शास्त्रीय द्वीपों की 20 वर्षों की खोज के बाद, कई लोगों को संदेह है कि उनकी यात्रा कभी भी समाप्त नहीं होगी। भले ही वे अपनी समझ को परिष्कृत करना जारी रखते हैं कि क्वांटम शक्ति कहाँ नहीं है, वे जानते हैं कि वे कभी भी सटीक रूप से यह कहने में सक्षम नहीं होंगे कि यह कहाँ है।

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