सरल रासायनिक समायोजन टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटिंग का व्यावहारिक मार्ग खोलता है

क्वांटम फेज डायल को ट्यून करना

क्वांटम कंप्यूटिंग ने लंबे समय से औषध खोज से लेकर क्रिप्टोग्राफी तक के क्षेत्रों में क्रांति लाने का वादा किया है, लेकिन विश्वसनीय क्वांटम हार्डवेयर बनाना असाधारण रूप से कठिन साबित हुआ है। सबसे अधिक मांग वाले निर्माण ब्लॉकों में से एक — टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर — विशेष रूप से मायावी रहा है। अब, शोधकर्ताओं की एक टीम इन विदेशी सामग्रियों को बनाने का एक आश्चर्यजनक रूप से सीधा तरीका प्रदर्शित किया है, संभवतः क्वांटम कंप्यूटर विकास में एक प्रमुख बाधा को दूर करते हुए।

मुख्य अंतर्दृष्टि एक धोखाधड़ी से सरल समायोजन को शामिल करती है: अतिपतली क्रिस्टलीय फिल्मों में टेल्यूरियम के लिए सेलेनियम के सटीक अनुपात को बदलना। इस रासायनिक संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ता सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनिक इंटरैक्शन को व्यवस्थित रूप से नियंत्रित करने में सक्षम थे, प्रभावी रूप से विभिन्न क्वांटम चरणों के माध्यम से डायल किया जब तक वे टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिंग अवस्था तक नहीं पहुंचे।

परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर Majorana fermions नामक एक विशेष प्रकार के क्वांटम उत्तेजना को होस्ट करते हैं — कण जो अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल होते हैं। ये विदेशी क्वासिपार्टिकल सैद्धांतिक रूप से कई परेशानियों के लिए प्रतिरक्षित हैं जो पारंपरिक क्वांटम बिट्स को प्रभावित करते हैं, जिससे वे गलती-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आदर्श उम्मीदवार बन जाते हैं जो उपयोगी गणना करने के लिए पर्याप्त लंबे समय तक सुसंगतता बनाए रख सकते हैं।

टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर क्यों महत्वपूर्ण हैं

यह समझने के लिए कि यह खोज महत्वपूर्ण क्यों है, यह क्वांटम कंप्यूटिंग की केंद्रीय चुनौती पर विचार करने में मदद करता है: डीकोहेरेंस। क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स, क्वांटम अवस्थाओं में जानकारी को एनकोड करते हैं जो उनके पर्यावरण के प्रति अत्यंत संवेदनशील होती हैं। यहां तक कि छोटी कंपन, तापमान में उतार-चढ़ाव, या विद्युत चुम्बकीय शोर भी एक क्यूबिट को अपने क्वांटम गुणों को खोने का कारण बन सकते हैं, ऐसी त्रुटियों को पेश करते हैं जो तेजी से जमा होती हैं और गणना को अर्थहीन बनाती हैं।

मौजूदा क्वांटम कंप्यूटर त्रुटि सुधार के माध्यम से इस समस्या को संबोधित करते हैं — कई भौतिक क्यूबिट्स का उपयोग करके एक तार्किक क्यूबिट को एनकोड करना, निरंतर निगरानी और त्रुटि सुधार के साथ। यह दृष्टिकोण काम करता है, लेकिन यह असाधारण रूप से संसाधन-गहन है। आज के सबसे उन्नत क्वांटम प्रोसेसर अपने विशाल बहुमत क्यूबिट्स को त्रुटि सुधार के लिए समर्पित करते हैं न कि वास्तविक गणना के लिए।

टोपोलॉजिकल क्यूबिट्स एक मौलिक रूप से अलग दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। नाजुक क्वांटम अवस्थाओं में जानकारी को एनकोड करने के बजाय जिन्हें निरंतर सुधार किया जाना चाहिए, टोपोलॉजिकल क्यूबिट्स Majorana fermion जोड़ी की वैश्विक संपत्तियों में जानकारी संग्रहीत करते हैं। ये गुण स्थानीय विक्षोभ के खिलाफ अंतर्निहित रूप से संरक्षित होते हैं — एक गाँठ की तरह जिसे केवल रस्सी को हिलाने से खोला नहीं जा सकता। यह टोपोलॉजिकल सुरक्षा त्रुटि सुधार के लिए आवश्यक ओवरहेड को नाटकीय रूप से कम कर सकती है, व्यावहारिक क्वांटम गणना को बहुत अधिक संभव बना सकती है।

टेल्यूरियम-सेलेनियम की खोज

अनुसंधान दल बिस्मथ-टेल्यूरायड परिवार की पतली फिल्मों के साथ काम करता था, जो सुप्रसिद्ध टोपोलॉजिकल इंसुलेटर हैं — ऐसी सामग्रियां जो अपनी सतहों पर विद्युत का संचालन करती हैं लेकिन उनके बल्क में इंसुलेटिंग होती हैं। सावधानीपूर्वक नियंत्रित संरचना के साथ इन फिल्मों को बढ़ाकर, धीरे-धीरे टेल्यूरियम परमाणुओं के लिए सेलेनियम परमाणुओं को प्रतिस्थापित करते हुए, शोधकर्ताओं ने मैप किया कि सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुण कैसे विकसित होते हैं।

जो उन्होंने पाया वह यह था कि एक विशेष संरचना अनुपात पर, सामग्री में इलेक्ट्रॉनों के बीच इंटरैक्शन एक चरण संक्रमण से गुजरते हैं। इलेक्ट्रॉन इस तरह से जोड़ी बनाना शुरू करते हैं जो सुपरकंडक्टिविटी और टोपोलॉजिकल ऑर्डर दोनों को पैदा करता है, डीकोहेरेंस के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करने वाली गणितीय संपत्ति।

महत्वपूर्ण रूप से, यह संक्रमण संरचना नियंत्रण के माध्यम से अकेले प्राप्त किया जा सकता है, चरम दबाव, विदेशी सबस्ट्रेट्स, या अन्य कठिन-से-पुनरुत्पादन करने वाली स्थितियों की आवश्यकता नहीं है जो टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी के पिछले दृष्टिकोण को सीमित करते हैं। फिल्मों को आणविक बीम एपिटैक्सी का उपयोग करके बढ़ाया गया था, एक अच्छी तरह से स्थापित तकनीक जो अर्धचालक उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है, जो सुझाव देती है कि उत्पादन को स्केल करना अपेक्षाकृत सीधा हो सकता है।

क्षेत्र में पिछली चुनौतियां

टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर की खोज संघनित पदार्थ भौतिकी के सबसे तीव्र और कभी-कभी विवादास्पद क्षेत्रों में से एक रहा है। 2018 में, Nature में एक उच्च-प्रोफ़ाइल पेपर Majorana fermions को अर्धचालक नैनोवायर में देखने का दावा करता था, अन्य शोधकर्ताओं द्वारा परिणाम को पुन: पेश नहीं कर सकने के बाद वापस ले लिया गया था। यह एपिसोड पूरे क्षेत्र पर एक छाया डाली और यह निर्धारित करने के लिए बार बढ़ाया कि क्या Majorana fermions का निर्णायक साक्ष्य माना जाता है।

अन्य दृष्टिकोणों में जटिल heterostructures में विभिन्न सामग्रियों को स्टैक करना, उच्च चुंबकीय क्षेत्र लागू करना, या ऐसी सामग्रियों का उपयोग करना शामिल है जो विश्वसनीय रूप से संश्लेषित करना कठिन हैं। जबकि कई मोर्चों पर प्रगति की गई है, कोई भी दृष्टिकोण अभी तक मजबूत टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी और व्यावहारिक निर्माणक्षमता के संयोजन को प्रदान नहीं किया है जो बड़े पैमाने पर क्वांटम डिवाइस निर्माण के लिए आवश्यक है।

संरचना-ट्यूनिंग दृष्टिकोण इसकी सरलता के कारण अपील करता है। जटिल बहु-परत संरचनाओं को इंजीनियरिंग करने या चरम स्थितियों के तहत काम करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक एकल सामग्री प्रणाली को एक अच्छी तरह से नियंत्रित रासायनिक चर के माध्यम से वांछित क्वांटम अवस्था में निर्बाध रूप से ट्यून किया जा सकता है।

लैब से क्वांटम कंप्यूटर तक

इस खोज को कार्यरत क्वांटम हार्डवेयर में अनुवाद करने से पहले महत्वपूर्ण चुनौतियां बनी हुई हैं। टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिंग अवस्था बहुत कम तापमान पर देखी गई थी, जैसा कि सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों के लिए विशिष्ट है। इन फिल्मों में Majorana fermions का वास्तविक निर्माण और हेराफेरी प्रदर्शित करना — और यह दिखाना कि वे टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटेशन के लिए आवश्यक गैर-Abelian ब्रेडिंग आंकड़ों को प्रदर्शित करते हैं — आगे के प्रयोगों की आवश्यकता होगी।

फिर भी, अनुसंधान एक अर्थपूर्ण कदम आगे का प्रतिनिधित्व करता है। एक ट्यून करने योग्य, पुनरुत्पादनीय मंच प्रदान करके टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी का अध्ययन करने के लिए, टेल्यूरियम-सेलेनियम पतली फिल्में प्रयोगकर्ताओं को टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटिंग को रेखांकित करने वाली भौतिकी की जांच करने के लिए एक नया उपकरण देती हैं। और स्थापित पतली-फिल्म विकास तकनीकों के साथ संगतता का मतलब है कि सामग्री अन्य अनुसंधान समूहों द्वारा आसानी से उत्पादित की जा सकती है, खोज की गति को तेज करते हुए।

क्वांटम कंप्यूटिंग उद्योग के लिए — जिसने व्यावहारिक, गलती-सहिष्णु मशीनों की खोज में अरबों डॉलर का निवेश किया है — कोई भी प्रगति जो टोपोलॉजिकल क्यूबिट्स को वास्तविकता के करीब लाती है, ध्यान देने योग्य है। यह रासायनिक समायोजन मामूली लग सकता है, लेकिन क्वांटम सामग्रियों की दुनिया में, कभी-कभी सबसे सरल परिवर्तन सबसे गहरे परिणाम प्राप्त करते हैं।

यह लेख Science Daily की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।