क्वांटम कंप्यूटर के करीब एक कदम

क्वांटम कंप्यूटिंग में सफलताओं की श्रृंखला

एक साधारण कंप्यूटर, जिसे अब क्लासिकल या पारंपरिक कंप्यूटर कहा जाता है, शून्य और एक (0s और 1s) की मूल अवधारणा पर काम करता है। जब हम कंप्यूटर से कोई कार्य करने के लिए कहते हैं, उदाहरण के लिए कोई गणितीय गणना, अपॉइंटमेंट बुक करना या रोजमर्रा की जिंदगी से संबंधित कोई भी कार्य, तो उस समय वह कार्य शून्य और एक (input) की स्ट्रिंग में परिवर्तित (या अनुवादित) हो जाता है। इस इनपुट को एक एल्गोरिदम (कंप्यूटर पर किसी कार्य को पूरा करने के लिए पालन किए जाने वाले नियमों का समूह) द्वारा संसाधित किया जाता है। इस प्रसंस्करण के बाद, शून्य और एक (output) की एक नई स्ट्रिंग वापस मिलती है, जो अपेक्षित परिणाम को एन्कोड करती है और उपयोगकर्ता द्वारा कंप्यूटर से अपेक्षित कार्य के "उत्तर" के रूप में सरल, उपयोगकर्ता के अनुकूल जानकारी में अनुवादित होती है। यह बात बेहद दिलचस्प है कि एल्गोरिदम चाहे कितना भी स्मार्ट या चालाक क्यों न लगे और काम कितना भी मुश्किल क्यों न हो, कंप्यूटर एल्गोरिदम सिर्फ एक ही काम करता है – बिट्स की स्ट्रिंग को मैनिपुलेट करना – जहाँ हर बिट या तो 0 होता है या 1। यह मैनिपुलेशन कंप्यूटर पर (सॉफ्टवेयर स्तर पर) होता है और मशीन स्तर पर इसे इलेक्ट्रिकल सर्किट (कंप्यूटर मदरबोर्ड पर) द्वारा दर्शाया जाता है। हार्डवेयर की शब्दावली में, जब इन इलेक्ट्रिकल सर्किट से करंट गुजरता है, तो यह बंद होता है और जब करंट नहीं होता, तो यह खुला होता है।

शास्त्रीय बनाम क्वांटम कंप्यूटर

इसलिए, क्लासिकल कंप्यूटरों में, बिट सूचना का एक एकल भाग होता है जो दो संभावित अवस्थाओं – 0 या 1 – में मौजूद हो सकता है। हालांकि, क्वांटम कंप्यूटरों की बात करें तो, वे आमतौर पर क्वांटम बिट्स (जिन्हें 'क्विबिट्स' भी कहा जाता है) का उपयोग करते हैं। ये दो अवस्थाओं वाले क्वांटम सिस्टम होते हैं, लेकिन सामान्य बिट (जो 0 या 1 के रूप में संग्रहीत होता है) के विपरीत, क्विबिट्स बहुत अधिक सूचना संग्रहीत कर सकते हैं और इन मानों की किसी भी स्थिति में मौजूद हो सकते हैं। इसे बेहतर ढंग से समझाने के लिए, क्विबिट को एक काल्पनिक गोले के रूप में माना जा सकता है, जहां क्विबिट गोले पर कोई भी बिंदु हो सकता है। यह कहा जा सकता है कि क्वांटम कंप्यूटिंग उप-परमाणु कणों की किसी भी समय एक से अधिक अवस्थाओं में मौजूद रहने और फिर भी परस्पर अनन्य होने की क्षमता का लाभ उठाती है। दूसरी ओर, एक क्लासिकल बिट केवल दो अवस्थाओं में हो सकता है – उदाहरण के लिए गोले के दो ध्रुवों के अंत में। सामान्य जीवन में हम इस 'अध्यारोपण' को नहीं देख पाते हैं क्योंकि एक बार जब किसी सिस्टम को उसकी संपूर्णता में देखा जाता है, तो ये अध्यारोपण गायब हो जाते हैं और यही कारण है कि ऐसे अध्यारोपण की समझ अस्पष्ट है।

इसका अर्थ यह है कि क्वांटम कंप्यूटर, जो क्यूबिट्स का उपयोग करते हैं, क्लासिकल कंप्यूटर की तुलना में कम ऊर्जा का उपयोग करके बहुत अधिक जानकारी संग्रहीत कर सकते हैं, और इस प्रकार क्वांटम कंप्यूटर पर क्रियाएं या गणनाएं अपेक्षाकृत बहुत तेजी से की जा सकती हैं। क्लासिकल कंप्यूटर 0 या 1 ले सकता है, इस कंप्यूटर में दो बिट चार संभावित अवस्थाओं (00, 01, 10 या 11) में हो सकते हैं, लेकिन किसी भी समय केवल एक ही अवस्था प्रदर्शित होती है। दूसरी ओर, क्वांटम कंप्यूटर ऐसे कणों के साथ काम करता है जो सुपरपोज़िशन में हो सकते हैं, जिससे सुपरपोज़िशन के गुण के कारण दो क्यूबिट एक ही समय में बिल्कुल समान चार अवस्थाओं को प्रदर्शित कर सकते हैं, जिससे कंप्यूटर 'बाइनरी बाधा' से मुक्त हो जाते हैं। यह एक साथ चल रहे चार कंप्यूटरों के बराबर हो सकता है और यदि हम इन क्यूबिट्स को जोड़ते हैं, तो क्वांटम कंप्यूटर की शक्ति तेजी से बढ़ती है। क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम भौतिकी के एक अन्य गुण का भी लाभ उठाते हैं जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा परिभाषित 'क्वांटम एंटैंगलमेंट' कहा जाता है। एंटैंगलमेंट एक ऐसा गुण है जो क्वांटम कणों को ब्रह्मांड में उनकी स्थिति की परवाह किए बिना जुड़ने और संवाद करने की अनुमति देता है , जिससे एक कण की स्थिति में परिवर्तन दूसरे को तुरंत प्रभावित कर सकता है। 'सुपरपोज़िशन' और 'एंटैंगलमेंट' की ये दोहरी क्षमताएं सिद्धांत रूप में काफी शक्तिशाली हैं। इसलिए, क्लासिकल कंप्यूटरों की तुलना में क्वांटम कंप्यूटर जो हासिल कर सकता है, वह अकल्पनीय है। यह सब बहुत रोमांचक और सरल लगता है, हालांकि, इस परिदृश्य में एक समस्या है। यदि एक क्वांटम कंप्यूटर इनपुट के रूप में क्यूबिट्स (सुपरपोज़्ड बिट्स) लेता है, तो इसका आउटपुट भी इसी तरह क्वांटम अवस्था में होगा, यानी एक ऐसा आउटपुट जिसमें सुपरपोज़्ड बिट्स होंगे जो इसकी स्थिति के आधार पर बदलते रह सकते हैं। इस प्रकार का आउटपुट हमें वास्तव में सारी जानकारी प्राप्त करने की अनुमति नहीं देता है और इसलिए क्वांटम कंप्यूटिंग की कला में सबसे बड़ी चुनौती इस क्वांटम आउटपुट से अधिक से अधिक जानकारी प्राप्त करने के तरीके खोजना है।

क्वांटम कंप्यूटर यहाँ होगा!

क्वांटम कंप्यूटरों को क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों पर आधारित शक्तिशाली मशीनों के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, जो सूचना प्रसंस्करण के लिए एक बिल्कुल नया दृष्टिकोण अपनाती हैं। इनका उद्देश्य प्रकृति के उन जटिल नियमों का पता लगाना है जो हमेशा से मौजूद रहे हैं लेकिन आमतौर पर छिपे रहे हैं। यदि ऐसी प्राकृतिक घटनाओं का पता लगाया जा सकता है, तो क्वांटम कंप्यूटिंग सूचना प्रसंस्करण के लिए नए प्रकार के एल्गोरिदम चला सकती है और इससे पदार्थ विज्ञान, औषधि खोज, रोबोटिक्स और कृत्रिम बुद्धिमत्ता में अभूतपूर्व सफलताएँ मिल सकती हैं। क्वांटम कंप्यूटर का विचार अमेरिकी सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन ने 1982 में प्रस्तावित किया था। और आज, प्रौद्योगिकी कंपनियां (जैसे आईबीएम, माइक्रोसॉफ्ट, गूगल, इंटेल) और शैक्षणिक संस्थान (जैसे एमआईटी और प्रिंसटन विश्वविद्यालय) मुख्यधारा के क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए क्वांटम कंप्यूटर प्रोटोटाइप पर काम कर रहे हैं। इंटरनेशनल बिजनेस मशीन्स कॉर्प (आईबीएम) ने हाल ही में कहा है कि उसके वैज्ञानिकों ने एक शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटिंग प्लेटफॉर्म बनाया है और इसे उपयोग के लिए उपलब्ध कराया जा सकता है, लेकिन उनका कहना है कि यह अधिकांश कार्यों को करने के लिए पर्याप्त नहीं है। उनका कहना है कि वर्तमान में विकसित किया जा रहा 50-क्विबिट का प्रोटोटाइप कई ऐसी समस्याओं को हल कर सकता है जो आज क्लासिकल कंप्यूटर करते हैं, और भविष्य में 50-100 क्विबिट वाले कंप्यूटर इस अंतर को काफी हद तक भर देंगे, यानी कुछ सौ क्विबिट वाला क्वांटम कंप्यूटर एक साथ इतने अधिक गणनाएं कर सकेगा जितने ज्ञात ब्रह्मांड में परमाणुओं की संख्या है । व्यावहारिक रूप से देखा जाए तो, क्वांटम कंप्यूटर के लिए कठिन कार्यों में क्लासिकल कंप्यूटर से बेहतर प्रदर्शन करने का मार्ग चुनौतियों और कठिनाइयों से भरा है। हाल ही में इंटेल ने घोषणा की है कि कंपनी का नया 49-क्विबिट क्वांटम कंप्यूटर इस "क्वांटम वर्चस्व" की दिशा में एक कदम है, जो कंपनी के लिए एक बड़ी उपलब्धि है, जिसने केवल 2 महीने पहले ही 17-बिट क्विबिट सिस्टम का प्रदर्शन किया था। उनकी प्राथमिकता इस परियोजना का विस्तार करना है, इस समझ के आधार पर कि क्विबिट की संख्या बढ़ाना ही ऐसे क्वांटम कंप्यूटर बनाने की कुंजी है जो वास्तविक दुनिया में परिणाम दे सकें।

क्वांटम कंप्यूटर के निर्माण के लिए सामग्री महत्वपूर्ण है

सिलिकॉन पदार्थ दशकों से कंप्यूटिंग का अभिन्न अंग रहा है क्योंकि इसकी प्रमुख क्षमताओं के कारण यह सामान्य (या क्लासिकल) कंप्यूटिंग के लिए उपयुक्त है। हालांकि, क्वांटम कंप्यूटिंग के संदर्भ में, सिलिकॉन-आधारित समाधानों को मुख्य रूप से दो कारणों से नहीं अपनाया गया है: पहला, सिलिकॉन पर निर्मित क्यूबिट्स को नियंत्रित करना कठिन है, और दूसरा, यह अभी भी स्पष्ट नहीं है कि सिलिकॉन क्यूबिट्स अन्य समाधानों की तरह स्केल कर सकते हैं या नहीं। एक महत्वपूर्ण प्रगति में, इंटेल ने हाल ही में एक नए प्रकार के क्यूबिट का विकास किया है ^जिसे 'स्पिन क्यूबिट' के नाम से जाना जाता है और यह पारंपरिक सिलिकॉन पर निर्मित होता है। स्पिन क्यूबिट्स सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स से काफी मिलते-जुलते हैं और ये सिलिकॉन डिवाइस पर एक इलेक्ट्रॉन के स्पिन का लाभ उठाकर और सूक्ष्म माइक्रोवेव पल्स द्वारा गति को नियंत्रित करके अपनी क्वांटम शक्ति प्रदान करते हैं। इंटेल को इस दिशा में आगे बढ़ने के लिए प्रेरित करने वाले दो प्रमुख लाभ हैं: पहला, इंटेल कंपनी के रूप में पहले से ही सिलिकॉन उद्योग में भारी निवेश कर चुकी है और इस प्रकार सिलिकॉन में सही विशेषज्ञता रखती है। दूसरा, सिलिकॉन क्यूबिट्स अधिक लाभकारी हैं क्योंकि वे पारंपरिक क्यूबिट्स से छोटे होते हैं, और उनसे लंबे समय तक सुसंगतता बनाए रखने की अपेक्षा की जाती है। क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम को स्केल अप करने (जैसे 100-क्विबिट से 200-क्विबिट तक) के लिए यह अत्यंत महत्वपूर्ण है। इंटेल इस प्रोटोटाइप का परीक्षण कर रहा है और कंपनी को उम्मीद है कि वह हजारों छोटे क्विबिट एरे वाले चिप्स का उत्पादन करेगी। बड़े पैमाने पर ऐसा उत्पादन क्वांटम कंप्यूटरों को स्केल अप करने के लिए बहुत उपयोगी साबित हो सकता है और एक क्रांतिकारी बदलाव ला सकता है।

साइंस पत्रिका में प्रकाशित एक हालिया शोध में , अमेरिका के मैरीलैंड विश्वविद्यालय की एक टीम ने फोटोनिक क्रिस्टलों के लिए एक नया पैटर्न (यानी फोटोनिक चिप पर लागू क्रिस्टल डिज़ाइन) विकसित किया है, जिसके बारे में उनका दावा है कि यह क्वांटम कंप्यूटरों को अधिक सुलभ बनाएगा।² ^ये फोटॉन प्रकाश की सबसे छोटी ज्ञात मात्रा हैं और इन क्रिस्टलों में छेद बनाए गए हैं जो प्रकाश को परस्पर क्रिया करने में सक्षम बनाते हैं। विभिन्न छेद पैटर्न प्रकाश के क्रिस्टल से मुड़ने और परावर्तित होने के तरीके को बदलते हैं और यहां हजारों त्रिकोणीय छेद बनाए गए हैं। एकल फोटॉनों का ऐसा उपयोग क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण की प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि तब कंप्यूटर बड़ी संख्याओं और रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गणना करने में सक्षम होंगे जो वर्तमान कंप्यूटर नहीं कर पाते हैं। चिप का डिज़ाइन क्वांटम कंप्यूटरों के बीच फोटॉनों के स्थानांतरण को बिना किसी हानि के संभव बनाता है। इस हानि को क्वांटम कंप्यूटरों के लिए एक बड़ी चुनौती के रूप में देखा गया है और इसलिए यह चिप इस समस्या का समाधान करती है और एक सिस्टम से दूसरे सिस्टम तक क्वांटम सूचना के कुशल मार्ग की अनुमति देती है।

भविष्य बनाओ

क्वांटम कंप्यूटर किसी भी पारंपरिक सुपर कंप्यूटर से कहीं अधिक गणना चलाने का वादा करते हैं। उनके पास परमाणु स्तर तक पदार्थ के व्यवहार को अनुकरण करना संभव बनाकर नई सामग्री की खोज में क्रांतिकारी बदलाव करने की क्षमता है। यह डेटा को तेजी से और अधिक कुशलता से संसाधित करके कृत्रिम बुद्धिमत्ता और रोबोटिक्स के लिए भी आशा का निर्माण करता है। आने वाले वर्षों में किसी भी प्रमुख संगठन द्वारा व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम वितरित किया जा सकता है क्योंकि यह शोध अभी भी खुला है और सभी के लिए एक उचित खेल है। आने वाले पांच से सात वर्षों में प्रमुख घोषणाओं की उम्मीद है और आदर्श रूप से प्रगति की श्रृंखला के साथ बोलते हुए, इंजीनियरिंग समस्याओं को संबोधित किया जाना चाहिए और 1 मिलियन या उससे अधिक क्वांटम कंप्यूटर एक वास्तविकता होनी चाहिए।

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स्रोत (रों)

1. कैस्टेलवेची डी. 2018. क्वांटम कंप्यूटिंग की दौड़ में सिलिकॉन की बढ़ती लोकप्रियता। नेचर। 553(7687)। https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3

2. सब्यसाची बी. एट अल. 2018. एक टोपोलॉजिकल क्वांटम ऑप्टिक्स इंटरफ़ेस। साइंस। 359(6376)। https://doi.org/10.1126/science.aaq0327

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