क्वांटम सिमुलेशन का एक अलग मार्ग
क्वांटम कंप्यूटरों को अक्सर उन समस्याओं के लिए आशाजनक उपकरण बताया जाता है, जो पारंपरिक मशीनों की क्षमता से बाहर होती हैं। MIT की शोधकर्ता Eleanor Crane के नेतृत्व में हुए एक नए अध्ययन में सबसे कठिन उदाहरणों में से एक पर ध्यान केंद्रित किया गया है: ऐसे तंत्रों का अनुकरण, जिनमें पदार्थ के कण प्रकाश समेत बलों को वहन करने वाले कणों के साथ मजबूत अंतःक्रिया करते हैं।
Physical Review X में प्रकाशित इस कार्य में हाइब्रिड क्वांटम कंप्यूटरों के लिए तैयार किया गया एक डिजिटल टूलकिट प्रस्तुत किया गया है। इसका केंद्रीय विचार यह है कि भौतिकी की समस्या के अलग-अलग हिस्सों को उस हार्डवेयर से जोड़ा जाए, जो उनका सबसे स्वाभाविक प्रतिनिधित्व कर सके। शोधकर्ताओं का कहना है कि इससे क्वांटम हार्डवेयर को व्यापक त्रुटि-सुधार पर कम निर्भरता के साथ कुछ फर्मियन-बोसॉन सिमुलेशन करने में मदद मिल सकती है।
यह संभावना महत्वपूर्ण है, क्योंकि पदार्थ और बल-वहन करने वाले कणों के बीच अंतःक्रिया कई तरह की भौतिक घटनाओं के पीछे होती है। उदाहरणों में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर क्वार्क और ग्लूऑन, साथ ही ऐसे इलेक्ट्रॉन शामिल हैं जिनकी परमाणु जालक में कंपन के साथ अंतःक्रियाएं अतिचालकता से जुड़ी होती हैं।
समस्या कठिन क्यों है
भौतिकी मूलभूत कणों को व्यापक रूप से फर्मियन और बोसॉन में विभाजित करती है। इलेक्ट्रॉन और क्वार्क समेत फर्मियन पदार्थ का निर्माण करते हैं। फोटॉन और ग्लूऑन समेत बोसॉन बलों को वहन करते हैं। उनके व्यवहार के कारण संगणना की आवश्यकताएं बहुत अलग होती हैं।
फर्मियन एक ऐसी पाबंदी का पालन करते हैं, जो दो समान कणों को एक ही क्वांटम अवस्था में रहने से रोकती है। इससे उनका प्रतिनिधित्व करने के लिए क्यूबिट अपेक्षाकृत स्वाभाविक विकल्प बन जाते हैं: किसी अवस्था को खाली या भरी हुई माना जा सकता है। बोसॉन अलग होते हैं। कई बोसॉन एक ही क्वांटम अवस्था में रह सकते हैं, इसलिए सिमुलेशन में संभावित रूप से बड़ी अधिभोग संख्या का प्रतिनिधित्व करना पड़ता है।
पारंपरिक क्वांटम-कंप्यूटिंग दृष्टिकोण में इस बोसॉनिक अधिभोग की सीमा तय करनी पड़ती है और इसे कई क्यूबिट में एन्कोड करना पड़ता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, ऐसा करने में ऑपरेशनों के लंबे अनुक्रम की आवश्यकता हो सकती है। आज के हार्डवेयर पर ये अतिरिक्त ऑपरेशन एक व्यावहारिक समस्या पैदा करते हैं, जहां गणना के दौरान त्रुटियां जमा होती रहती हैं।
अंतर्निहित भौतिकी इस कठिनाई को और बढ़ा देती है। जैसे-जैसे मजबूत अंतःक्रिया वाले तंत्र का आकार बढ़ता है, उसके सभी कणों के व्यवहार पर नजर रखने के लिए आवश्यक शास्त्रीय कंप्यूटिंग संसाधन घातीय रूप से बढ़ सकते हैं। यही वह स्केलिंग चुनौती है, जिसके लिए अक्सर क्वांटम सिमुलेशन का प्रस्ताव दिया जाता है, लेकिन उपयोगी दृष्टिकोण को वास्तविक उपकरणों की सीमाओं के अनुरूप भी होना चाहिए।
सिमुलेशन के हिस्से के रूप में कैविटी का उपयोग
Crane की टीम एक ऐसी सुविधा का उपयोग करती है, जो पहले से ही अतिचालक क्वांटम-कंप्यूटिंग प्रणालियों में मौजूद है: माइक्रोवेव कैविटी। ये छोटे धातु के घेरे होते हैं, जिनमें विद्युतचुंबकीय क्षेत्र संचित रहते हैं। बोसॉन का प्रतिनिधित्व केवल क्यूबिट के समूहों के माध्यम से करने के बजाय, प्रस्तावित टूलकिट कैविटी को सिमुलेशन के बोसॉनिक तत्वों के रूप में इस्तेमाल करता है।
इससे एक हाइब्रिड व्यवस्था तैयार होती है। क्यूबिट फर्मियोनिक स्वतंत्रता-डिग्री का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं, जबकि माइक्रोवेव कैविटी बोसॉनिक स्वतंत्रता-डिग्री का। इस दृष्टिकोण का उद्देश्य बोसॉन को पूरी तरह क्यूबिट में डिजिटाइज़ करने से जुड़े अतिरिक्त बोझ को कम करना है, जबकि पूरे सिमुलेशन के लिए डिजिटल ढांचा बनाए रखना है।
यह अंतर केवल इंजीनियरिंग की सुविधा से अधिक है। कैविटी विद्युतचुंबकीय-क्षेत्र अवस्थाओं को धारण कर सकती है, जिससे वह एक ऐसा भौतिक मंच बन जाती है जिसमें पहले से वही बोसॉनिक व्यवहार मौजूद है, जिसका सिमुलेशन में वर्णन आवश्यक है। शोधकर्ताओं का लक्ष्य इस मूल क्षमता का लाभ उठाना है, बजाय इसके कि समस्या के सभी हिस्सों को एक ही संगणनात्मक प्रतिनिधित्व में ढालने के लिए मजबूर किया जाए।
निकट भविष्य पर जोर
व्यापक त्रुटि-सुधार से बचने पर अध्ययन का ध्यान वर्तमान और निकट भविष्य के क्वांटम हार्डवेयर के संदर्भ में आता है। पूरी तरह त्रुटि-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटरों के लिए पर्याप्त त्रुटि-सुधार संसाधनों की आवश्यकता होने की उम्मीद है। यदि कोई विधि इतने बड़े अतिरिक्त बोझ के बिना उपयोगी सिमुलेशन प्रदर्शन दे सके, तो यह महत्वपूर्ण होगी, हालांकि रिपोर्ट यह दावा नहीं करती कि इस दृष्टिकोण ने व्यापक त्रुटि-सहिष्णुता की चुनौती हल कर दी है।
इसके बजाय, यह कार्य सिमुलेशन के एक विशेष वर्ग को ऐसी हार्डवेयर इकाइयों के इर्द-गिर्द व्यवस्थित करने का तरीका पहचानता है, जिनकी क्षमताएं एक-दूसरे की पूरक हैं। शोधकर्ता इसके अपेक्षित लाभ को इस रूप में बताते हैं कि क्वांटम मशीनें व्यापक त्रुटि-सुधार की आवश्यकता के बिना फर्मियन-बोसॉन सिमुलेशन में शास्त्रीय समकक्षों से बेहतर प्रदर्शन कर सकती हैं।
यह सामान्य-उद्देश्य क्वांटम लाभ के दावे से संकीर्ण है, लेकिन इसका संभावित वैज्ञानिक महत्व व्यापक है। मजबूत फर्मियन-बोसॉन अंतःक्रियाएं कण भौतिकी, पदार्थ अनुसंधान और प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया के अध्ययन में दिखाई देती हैं। बेहतर सिमुलेशन उपकरण शोधकर्ताओं को उन तंत्रों की जांच में मदद कर सकते हैं, जिनकी प्रत्यक्ष गणना वर्तमान में व्यावहारिक नहीं है।
आगे क्या
यह प्रकाशन प्रत्येक मजबूत अंतःक्रिया वाले तंत्र के लिए तैयार अनुप्रयोग के बजाय एक टूलकिट और हार्डवेयर-केंद्रित रणनीति स्थापित करता है। इसका महत्व इस बात पर निर्भर करेगा कि इस दृष्टिकोण को अतिचालक क्वांटम हार्डवेयर पर कितनी प्रभावी ढंग से लागू किया जा सकता है और समस्या का आकार बढ़ने पर इसका प्रदर्शन कैसा रहता है।
फिर भी, यह शोध क्वांटम इंजीनियरिंग की एक बार-बार उभरती दिशा को दर्शाता है: उपयोगी मशीनें हर घटक को आदर्श अमूर्त क्यूबिट की तरह व्यवहार कराने से नहीं, बल्कि ऐसे हार्डवेयर तत्वों को मिलाने से उभर सकती हैं जो किसी वैज्ञानिक मॉडल के अलग-अलग हिस्सों को स्वाभाविक रूप से व्यक्त करते हैं। पदार्थ कणों और बोसॉन दोनों से जुड़े सिमुलेशन के लिए यह कार्य-विभाजन विशेष रूप से मूल्यवान हो सकता है।
यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।
Originally published on phys.org
