হাইব্রিড কোয়ান্টাম কম্পিউটার আলো ও পদার্থকে আরও দক্ষভাবে মডেল করতে পারে

কোয়ান্টাম সিমুলেশনের একটি ভিন্ন পথ

প্রচলিত কম্পিউটার যে সমস্যায় হিমশিম খায়, কোয়ান্টাম কম্পিউটারকে প্রায়ই তার জন্য সম্ভাবনাময় হাতিয়ার হিসেবে বর্ণনা করা হয়। MIT-এর গবেষক Eleanor Crane-এর নেতৃত্বে নতুন এক গবেষণায় সবচেয়ে কঠিন উদাহরণগুলোর একটি নিয়ে কাজ করা হয়েছে: এমন সিস্টেমের সিমুলেশন, যেখানে আলোসহ বল বহনকারী কণার সঙ্গে পদার্থের কণা শক্তিশালীভাবে মিথস্ক্রিয়া করে।

Physical Review X-এ প্রকাশিত এই গবেষণায় হাইব্রিড কোয়ান্টাম কম্পিউটারের জন্য একটি ডিজিটাল টুলকিট উপস্থাপন করা হয়েছে। এর মূল ধারণা হলো, পদার্থবিদ্যার সমস্যার বিভিন্ন অংশকে সেই হার্ডওয়্যারের সঙ্গে মিলিয়ে দেওয়া, যা সেগুলোর সবচেয়ে স্বাভাবিক প্রতিনিধিত্ব করতে পারে। গবেষকেরা বলছেন, এর ফলে ব্যাপক error correction-এর ওপর কম নির্ভর করে কোয়ান্টাম হার্ডওয়্যার কিছু fermion-boson সিমুলেশন পরিচালনা করতে পারবে।

এই সম্ভাবনা গুরুত্বপূর্ণ, কারণ পদার্থ ও বল বহনকারী কণার মিথস্ক্রিয়া বহু ভৌত ঘটনার ভিত্তিতে রয়েছে। এর মধ্যে রয়েছে প্রোটন ও নিউট্রনের ভেতরের quarks এবং gluons, পাশাপাশি atomic lattice-এর কম্পনের সঙ্গে electrons-এর মিথস্ক্রিয়া, যা superconductivity-এর সঙ্গে যুক্ত।

সমস্যাটি কঠিন কেন

পদার্থবিদ্যায় মৌলিক কণাগুলোকে মোটামুটি fermions এবং bosons-এ ভাগ করা হয়। electrons ও quarks-সহ fermions পদার্থ গঠন করে। photons ও gluons-সহ bosons বল বহন করে। তাদের আচরণের জন্য একেবারেই ভিন্ন ধরনের computational প্রয়োজন হয়।

দুটি অভিন্ন কণাকে একই quantum state দখল করতে বাধা দেয় এমন একটি নিয়ম fermions মেনে চলে। তাই তাদের প্রতিনিধিত্বে qubits তুলনামূলকভাবে স্বাভাবিক পছন্দ: একটি state-কে খালি বা পূর্ণ হিসেবে বিবেচনা করা যায়। Bosons ভিন্ন। বহু boson একই quantum state-এ থাকতে পারে, ফলে সিমুলেশনে সম্ভাব্যভাবে বড় occupancy number উপস্থাপন করতে হয়।

প্রচলিত quantum-computing পদ্ধতিতে সেই bosonic occupancy সীমাবদ্ধ করে একাধিক qubits-এ encode করতে হয়। গবেষকদের মতে, এর জন্য operations-এর দীর্ঘ sequence দরকার হতে পারে। আজকের হার্ডওয়্যারে এই অতিরিক্ত operations একটি বাস্তব সমস্যা তৈরি করে, কারণ গণনা চলার সময় error জমা হয়।

অন্তর্নিহিত পদার্থবিদ্যা এই কঠিনতাকে আরও বাড়ায়। শক্তিশালীভাবে মিথস্ক্রিয়াশীল সিস্টেমের আকার বাড়লে তার সব কণার আচরণ অনুসরণ করতে প্রয়োজনীয় classical computing resources exponential হারে বাড়তে পারে। quantum simulation-এর জন্য প্রায়ই এই scaling challenge-এর কথা বলা হয়, কিন্তু কার্যকর পদ্ধতিকে বাস্তব ডিভাইসের সীমাবদ্ধতার সঙ্গেও মানানসই হতে হবে।

সিমুলেশনের অংশ হিসেবে cavities ব্যবহার

Crane-এর দল superconducting quantum-computing systems-এ আগে থেকেই থাকা একটি বৈশিষ্ট্যের দিকে নজর দিয়েছে: microwave cavities। এগুলো ছোট ধাতব enclosure, যেখানে electromagnetic fields ধরে রাখা যায়। bosons-কে শুধু qubits-এর সমষ্টি দিয়ে উপস্থাপন না করে প্রস্তাবিত টুলকিট cavities-কে সিমুলেশনের bosonic elements হিসেবে ব্যবহার করে।

এর ফলে একটি hybrid setup তৈরি হয়। Qubits fermionic degrees of freedom উপস্থাপন করতে পারে, আর microwave cavities bosonic degrees of freedom উপস্থাপন করে। bosons-কে সম্পূর্ণভাবে qubits-এ digitize করার অতিরিক্ত overhead কমানোই এই পদ্ধতির উদ্দেশ্য, একই সঙ্গে সামগ্রিক সিমুলেশনের জন্য একটি digital framework বজায় রাখা।

এই পার্থক্য শুধু engineering সুবিধার বিষয় নয়। একটি cavity electromagnetic-field states ধারণ করতে পারে, ফলে এটি এমন একটি physical platform হয়ে ওঠে যেখানে সিমুলেশনে বর্ণনা করার প্রয়োজনীয় bosonic behavior আগে থেকেই রয়েছে। সমস্যার সব অংশকে একই computational representation-এ বাধ্য করার বদলে গবেষকেরা এই native capability কাজে লাগাতে চান।

নিকট ভবিষ্যতের ওপর জোর

ব্যাপক error correction এড়ানোর ওপর গবেষণাটির জোর এটিকে বর্তমান ও নিকট ভবিষ্যতের quantum hardware-এর প্রেক্ষাপটে রাখে। সম্পূর্ণ fault-tolerant quantum computers-এর জন্য উল্লেখযোগ্য error-correction resources দরকার হবে বলে ধারণা করা হয়। সেই মাত্রার overhead ছাড়াই কার্যকর simulation performance দিতে পারে এমন পদ্ধতি গুরুত্বপূর্ণ হবে, যদিও প্রতিবেদনটি দাবি করে না যে এই পদ্ধতি বৃহত্তর fault-tolerance challenge সমাধান করেছে।

বরং, পরস্পর-পরিপূরক শক্তিসম্পন্ন hardware components ঘিরে একটি নির্দিষ্ট শ্রেণির simulation সাজানোর পথ এই গবেষণা দেখায়। গবেষকেরা এর সম্ভাব্য সুবিধা হিসেবে বলেন, ব্যাপক error correction ছাড়াই fermion-boson simulations-এ quantum machines classical counterparts-কে ছাড়িয়ে যেতে পারে।

এটি general-purpose quantum advantage-এর তুলনায় সীমিত দাবি, তবে এর বৈজ্ঞানিক প্রাসঙ্গিকতা বিস্তৃত হতে পারে। particle physics, materials research এবং light interacting with matter-এর গবেষণায় শক্তিশালী fermion-boson interactions দেখা যায়। উন্নত simulation tools এমন সিস্টেম নিয়ে গবেষণায় সহায়তা করতে পারে, যেগুলোর সরাসরি গণনা বর্তমানে বাস্তবসম্মত নয়।

এরপর কী

প্রকাশনাটি প্রতিটি strongly interacting system-এর জন্য সমাপ্ত application নয়; বরং একটি toolkit এবং hardware-oriented strategy প্রতিষ্ঠা করেছে। superconducting quantum hardware-এ পদ্ধতিটি কতটা কার্যকরভাবে বাস্তবায়ন করা যায় এবং problem sizes বাড়লে এটি কেমন কাজ করে, তার ওপর এর গুরুত্ব নির্ভর করবে।

তবু গবেষণাটি quantum engineering-এর একটি পুনরাবৃত্ত দিক তুলে ধরে: প্রতিটি component-কে আদর্শ abstract qubit-এর মতো আচরণ করানোর মাধ্যমে নয়, বরং scientific model-এর বিভিন্ন অংশকে স্বাভাবিকভাবে প্রকাশ করতে পারে এমন hardware elements একত্র করার মাধ্যমে কার্যকর মেশিন তৈরি হতে পারে। পদার্থের কণা ও bosons—উভয়কে জড়িত সিমুলেশনের জন্য এই division of labor বিশেষভাবে মূল্যবান হতে পারে।

এই প্রতিবেদনটি Phys.org-এর রিপোর্টিংয়ের ওপর ভিত্তি করে তৈরি। মূল নিবন্ধ পড়ুন।