हायब्रिड क्वांटम संगणक प्रकाश आणि पदार्थाचे अधिक कार्यक्षमतेने मॉडेल तयार करू शकतात

क्वांटम सिम्युलेशनसाठी वेगळा मार्ग

पारंपरिक संगणकांना ज्यांचा सामना करणे कठीण जाते, अशा समस्यांसाठी क्वांटम संगणकांना अनेकदा आशादायक साधने मानले जाते. MITच्या संशोधक Eleanor Crane यांच्या नेतृत्वाखालील नव्या अभ्यासात अत्यंत आव्हानात्मक उदाहरणांपैकी एका समस्येवर लक्ष केंद्रित करण्यात आले आहे: प्रकाशासह बल वाहून नेणाऱ्या कणांशी पदार्थकणांचा मजबूत परस्परसंवाद असलेल्या प्रणालींचे अनुकरण.

Physical Review Xमध्ये प्रकाशित झालेल्या या कार्यात हायब्रिड क्वांटम संगणकांसाठी तयार केलेले डिजिटल टूलकिट सादर केले आहे. भौतिकशास्त्रातील समस्येच्या वेगवेगळ्या भागांना त्यांचे सर्वाधिक नैसर्गिक प्रतिनिधित्व करणाऱ्या हार्डवेअरशी जुळवणे ही यामागची मध्यवर्ती कल्पना आहे. विस्तृत error correctionवर कमी अवलंबून राहून काही fermion-boson सिम्युलेशन हाताळण्यास क्वांटम हार्डवेअरला यामुळे मदत होऊ शकते, असे संशोधकांचे म्हणणे आहे.

ही शक्यता महत्त्वाची आहे, कारण पदार्थ आणि बल वाहून नेणाऱ्या कणांमधील परस्परसंवादामागे अनेक भौतिक घटना आहेत. प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनमधील quarks आणि gluons, तसेच atomic latticeमधील कंपनांशी electronsचा परस्परसंवाद ही त्याची उदाहरणे आहेत; या परस्परसंवादांचा superconductivityशी संबंध आहे.

ही समस्या कठीण का आहे

भौतिकशास्त्र मूलभूत कणांचे व्यापकपणे fermions आणि bosons असे वर्गीकरण करते. electrons आणि quarksसह fermions पदार्थ बनवतात. photons आणि gluonsसह bosons बल वाहून नेतात. त्यांच्या वर्तनासाठी संगणकीय गरजा खूप वेगळ्या असतात.

दोन समान कणांना एकाच quantum stateमध्ये राहण्यापासून रोखणारे बंधन fermions पाळतात. त्यामुळे त्यांचे प्रतिनिधित्व करण्यासाठी qubits तुलनेने नैसर्गिक पर्याय ठरतात: एखादी अवस्था रिकामी किंवा भरलेली मानता येते. Bosons वेगळे आहेत. अनेक bosons एकाच quantum stateमध्ये राहू शकतात, त्यामुळे सिम्युलेशनमध्ये संभाव्यतः मोठ्या occupancy numberचे प्रतिनिधित्व करावे लागते.

पारंपरिक quantum-computing पद्धतीत त्या bosonic occupancyवर मर्यादा घालून ती अनेक qubitsमध्ये encode करावी लागते. यासाठी operationsच्या लांब अनुक्रमांची गरज पडू शकते, असे संशोधक सांगतात. आजच्या हार्डवेअरमध्ये ही अतिरिक्त operations व्यावहारिक अडचण निर्माण करतात, कारण गणना सुरू असताना चुका साचत जातात.

मूलभूत भौतिकशास्त्रामुळे ही अडचण आणखी वाढते. मजबूत परस्परसंवाद असलेल्या प्रणालीचा आकार वाढत असताना, तिच्या सर्व कणांच्या वर्तनाचा मागोवा घेण्यासाठी लागणारी classical computing संसाधने exponential पद्धतीने वाढू शकतात. quantum simulationसाठी हीच scaling challenge अनेकदा मांडली जाते; मात्र उपयुक्त पद्धतीने वास्तविक उपकरणांच्या मर्यादांशीही जुळवून घ्यायला हवे.

सिम्युलेशनचा भाग म्हणून cavitiesचा वापर

Crane यांच्या पथकाने superconducting quantum-computing systemsमध्ये आधीपासून असलेल्या एका वैशिष्ट्याकडे वळले आहे: microwave cavities. या लहान धातूच्या enclosureमध्ये electromagnetic fields साठवले जातात. Bosonsचे प्रतिनिधित्व केवळ qubitsच्या समूहांद्वारे करण्याऐवजी, प्रस्तावित टूलकिट cavitiesचा वापर सिम्युलेशनमधील bosonic घटक म्हणून करते.

यामुळे एक hybrid setup तयार होते. Qubits fermionic degrees of freedomचे प्रतिनिधित्व करू शकतात, तर microwave cavities bosonic degrees of freedomचे प्रतिनिधित्व करतात. Bosonsना पूर्णपणे qubitsमध्ये digitize करण्याशी संबंधित overhead कमी करणे, तसेच संपूर्ण सिम्युलेशनसाठी डिजिटल framework कायम ठेवणे, हा या पद्धतीचा उद्देश आहे.

हा फरक केवळ engineering सोयीपुरता मर्यादित नाही. एखादी cavity electromagnetic-field states धारण करू शकते, त्यामुळे सिम्युलेशनला वर्णन कराव्या लागणाऱ्या bosonic behaviorचा प्रकार तिच्यात आधीपासूनच असतो. समस्येच्या सर्व भागांना एकाच computational representationमध्ये बसवण्याऐवजी या native capabilityचा लाभ घेणे हे संशोधकांचे ध्येय आहे.

नजीकच्या भविष्यातील वापरावर भर

विस्तृत error correction टाळण्यावर अभ्यासाचा भर असल्याने तो सध्याच्या आणि नजीकच्या भविष्यातील quantum hardwareच्या संदर्भात येतो. पूर्णपणे fault-tolerant quantum computersसाठी मोठ्या प्रमाणात error-correction संसाधनांची गरज भासेल, अशी अपेक्षा आहे. त्या पातळीवरील overheadशिवाय उपयुक्त simulation performance देणारी पद्धत महत्त्वाची ठरेल; मात्र या दृष्टिकोनाने व्यापक fault-tolerance challenge सोडवली आहे, असा दावा अहवाल करत नाही.

त्याऐवजी, परस्परपूरक क्षमता असलेल्या hardware componentsभोवती एका विशिष्ट प्रकारच्या सिम्युलेशनची रचना करण्याचा मार्ग हे कार्य दाखवते. व्यापक error correctionची गरज न पडता fermion-boson simulationsमध्ये quantum machinesनी classical counterpartsपेक्षा चांगली कामगिरी करावी, असा या पद्धतीचा अपेक्षित लाभ संशोधकांनी सांगितला आहे.

हा general-purpose quantum advantageपेक्षा मर्यादित दावा आहे; तरीही त्याची वैज्ञानिक उपयुक्तता व्यापक असू शकते. particle physics, materials research आणि light interacting with matterच्या अभ्यासात मजबूत fermion-boson interactions आढळतात. अधिक चांगली simulation tools सध्या थेट गणना करणे अव्यवहार्य असलेल्या प्रणालींचा अभ्यास करण्यास संशोधकांना मदत करू शकतात.

पुढे काय

प्रकाशनाने प्रत्येक strongly interacting systemसाठी तयार application देण्याऐवजी एक toolkit आणि hardware-oriented strategy मांडली आहे. superconducting quantum hardwareवर ही पद्धत किती प्रभावीपणे राबवता येते आणि problem sizes वाढल्यावर तिची कामगिरी कशी राहते, यावर तिचे महत्त्व अवलंबून असेल.

तरीही, quantum engineeringमधील वारंवार दिसणारी दिशा हे संशोधन दाखवते: प्रत्येक componentने आदर्श abstract qubitप्रमाणे वागावे यासाठी प्रयत्न करण्याऐवजी, scientific modelच्या वेगवेगळ्या भागांना नैसर्गिकपणे व्यक्त करणारे hardware elements एकत्र करून उपयुक्त यंत्रे विकसित होऊ शकतात. पदार्थकण आणि bosons दोन्हींचा समावेश असलेल्या सिम्युलेशनसाठी ही division of labor विशेषतः उपयुक्त ठरू शकते.

हा लेख Phys.orgच्या वृत्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.