संशोधकांनी क्यूबिट लीकजला एंटॅंगलमेंटसाठी एक साधन बनवले

पर्यावरणाशी लढण्याऐवजी त्याचा उपयोग करणे

क्वांटम अभियांत्रिकीमध्ये, लीकज हा सहसा खलनायक मानला जातो. एका क्यूबिटमधून त्याच्या पर्यावरणात ऊर्जा आणि माहिती निसटणे हे सामान्यतः गणना, संवाद आणि सेन्सिंगसाठी थेट धोका मानले जाते. युनिव्हर्सिटी ऑफ इलिनॉय अर्बाना-शॅम्पेन आणि युनिव्हर्सिटी ऑफ शिकागो येथील संशोधकांच्या नव्या प्रयोगात्मक परिणामाने याबाबत एक ठळक वेगळा दृष्टिकोन मांडला आहे: योग्य परिस्थितीत, त्याच डिसिपेशनचा उपयोग एंटॅंगलमेंट निर्माण करण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

Phys.org ने अधोरेखित केलेल्या peer-reviewed अभ्यासात वर्णन केलेला हा परिणाम, अनेक वर्षांपासून सैद्धांतिक रसाचा विषय असलेली पण प्रत्यक्षात साध्य करणे कठीण अशी कल्पना दाखवतो. टीमने सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्सची एक जोडी आणि synthetic squeezing नावाच्या तंत्राचा वापर करून डिसिपेशनद्वारे एक एंटॅंगल्ड steady state तयार केली. दुसऱ्या शब्दांत, एंटॅंगलमेंट एखाद्या नाजूक, एकदाच घडणाऱ्या घटनेप्रमाणे निर्माण झाला नाही जो लगेचच क्षीण होऊ लागतो. तो चालित open quantum system चा स्थिर परिणाम म्हणून उदयास आला.

हा फरक महत्त्वाचा आहे, कारण एंटॅंगलमेंट हा क्वांटम तंत्रज्ञानातील मध्यवर्ती संसाधनांपैकी एक आहे. संवाद, नेटवर्किंग, सेन्सिंग आणि गणना या क्षेत्रांत शास्त्रीय प्रणालींपेक्षा जास्त कामगिरी करणाऱ्या प्रोटोकॉल्सचा तो पाया आहे. समस्या अशी की एंटॅंगलमेंट देखील नाजूक असतो. अधिक मजबूतपणाचे वचन देणारी कोणतीही पद्धत लगेचच लक्ष वेधून घेते.

ट्रान्सपोर्ट इतकी मोठी समस्या का आहे

पारंपरिक एंटॅंगलमेंट निर्मिती अनेकदा क्वांटम अवस्था स्थानिक पातळीवर काळजीपूर्वक वेळ ठरवलेल्या क्रियांद्वारे तयार करण्यावर आणि नंतर त्या किंवा त्यांनी वाहून नेलेली माहिती एखाद्या भौतिक चॅनेलमधून नेण्यावर अवलंबून असते. तो ट्रान्सपोर्ट टप्पा असा असतो जिथे अनेक प्रणाली असुरक्षित होतात. पर्यावरणातील आवाज तयार केलेली अवस्था वापरण्यापूर्वीच बिघडवू शकतो.

संशोधकांचे म्हणणे आहे की त्यांचा प्रयोग वेगळ्या मार्गाकडे निर्देश करतो. स्रोत मजकुरानुसार, ही प्रणाली आधी एंटॅंगलमेंट तयार करून मग ते इतरत्र हलवण्याची गरज टाळते, जिथे अतिरिक्त ऱ्हासाचा धोका असतो. त्याऐवजी, अशी रचना केली आहे की सतत driving आणि dissipation अंतर्गत एंटॅंगलमेंट ही प्रणालीची नैसर्गिक relaxed state बनते.

हे क्षेत्रातील एक सामान्य अंतर्ज्ञान उलटे करते. सहसा relaxation म्हणजे उपयुक्त क्वांटम गुणधर्मांचा तोटा. येथे, relaxation नेमके तेच आहे जे संसाधन निर्माण करते. ही संकल्पनात्मक उलथापालथ या निकालाला उपकरणाच्या अरुंद तपशीलांपलीकडेही वेगळे ठरवते.

टीमने प्रत्यक्षात काय बांधले

या प्रयोगात एकदिशात्मक waveguide शी जोडलेले दोन सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स वापरण्यात आले. स्रोत मजकुरात म्हटले आहे की मूळ सैद्धांतिक भाकीत अत्यंत आदर्शीकृत परिस्थितींवर आधारित होते, म्हणून संशोधकांनी हा परिणाम प्रत्यक्ष उपकरणात उपलब्ध करण्यासाठी synthetic squeezing ही प्रयोगशाळेला सुसंगत पद्धत विकसित केली.

सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स हे क्वांटम माहिती विज्ञानातील आघाडीच्या हार्डवेअर प्लॅटफॉर्मपैकी एक आहेत, कारण त्यांचे उत्पादन, नियंत्रण आणि microwave circuitry सोबत एकत्रीकरण करता येते. पण सर्व क्वांटम प्रणालींप्रमाणेच, त्या अनावश्यक पर्यावरणीय परस्परसंवादासाठी अत्यंत संवेदनशील असतात. नियंत्रित पर्यावरणीय coupling ला तोटा न मानता लाभात रूपांतरित करता येते हे दाखवणे, आधीच स्पर्धात्मक असलेल्या हार्डवेअर क्षेत्रात एक नवा डिझाइन विचार जोडते.

“synthetic squeezing” हा शब्दप्रयोग महत्त्वाचा आहे, कारण त्यावरून हा प्रयोग केवळ पाठ्यपुस्तकातील मॉडेलची पुनरावृत्ती नव्हता हे सूचित होते. टीमला असा प्रभावी quantum environment तयार करावा लागला जो योग्य प्रकारे वागेल, ज्यामुळे dissipation-driven entanglement दिसून येईल. सिद्धांतापासून हार्डवेअरपर्यंतचा तो अनुवाद बहुतेक वेळा क्वांटम विज्ञानातील खरा अडथळा असतो. सुंदर कल्पना पुष्कळ असतात; प्रत्यक्षात राबवता येतील अशा कमी असतात.

स्थिर अवस्थेतील एंटॅंगलमेंट

या निकालातील सर्वात महत्त्वाचा भाग असा असू शकतो की एंटॅंगलमेंट ही steady state आहे. तत्त्वतः, स्रोत मजकुरानुसार, याचा अर्थ तो अनिश्चित काळासाठी आणि मनमानी मोठ्या अंतरांवर टिकवता येऊ शकतो. यामुळे सर्व अभियांत्रिकी मर्यादा नाहीशा होतात असे नाही, पण आजच्या तयार करा-आणि-संरक्षित ठेवा अशा पद्धतींपेक्षा अधिक स्थिर चौकट सूचित होते.

Steady-state entanglement मुळे कार्यप्रणालीचे चित्र बदलते. जर प्रणालीच्या नैसर्गिक गतिकीमुळे एंटॅंगलमेंट सतत पुन्हा निर्माण होऊ शकत असेल, तर लहान व्यत्ययांमुळे उपयुक्त क्वांटम अवस्था लगेचच संपुष्टात येण्याची गरज नसते. अचूकपणे तयार केलेल्या अवस्थेचा काळानुसार ऱ्हास होताना पाहण्याऐवजी, अभियंते अशा परिस्थितीची देखभाल करू शकतात जिथे अपेक्षित सहसंबंध पुन्हा पुन्हा दिसून येतात.

हे विशेषतः quantum network साठी महत्त्वाचे आहे. या क्षेत्रातील एक दीर्घकालीन उद्दिष्ट म्हणजे क्वांटम उपकरणांना अंतरावर जोडणे, त्यांना क्वांटम बनवणारे गुणधर्म न गमावता. ट्रान्सपोर्टमधील noise हा त्या road map मधील सर्वात कठीण अडथळ्यांपैकी एक आहे. नाजूक ट्रान्सपोर्ट sequence वर अवलंबून राहणे कमी करणारी पद्धत distributed quantum systems साठी उपयुक्त ठरू शकते.

हा निकाल आत्ताच का महत्त्वाचा आहे

क्वांटम संशोधनात coherence time, gate fidelity, materials quality, आणि error characterization यामध्ये सातत्याने टप्प्याटप्प्याने सुधारणा होत असतात. या सर्व गोष्टी आवश्यक आहेत, पण त्या सामान्यतः पर्यावरणापासून दूर राहणे हाच गृहितक धरून काम करतात. हे काम मात्र सुयोग्य रचनेचे environment उपयुक्त काम करू शकते असा संकेत देते.

याचा अर्थ noise सर्वसाधारणपणे फायदेशीर आहे असा नाही. अनियंत्रित dissipation अजूनही विनाशकारीच आहे, आणि क्वांटम अभियांत्रिकीचा बहुतांश भाग अजूनही decoherence विरुद्धची झुंज आहे. पण हा प्रयोग अधिक सूक्ष्म दृष्टीकोनाला पाठिंबा देतो: system-environment परस्परसंवादाचे काही प्रकार असे डिझाइन करता येतात की loss channel स्वतः प्रणालीला अपेक्षित क्वांटम अवस्थेत ढकलतो.

मोठ्या उद्योगासाठी हे किमान दोन प्रकारे महत्त्वाचे ठरू शकते. पहिले, हे हार्डवेअर पातळीवर अधिक fault-tolerant एंटॅंगलमेंट निर्मितीचा मार्ग देऊ शकते. दुसरे, quantum interconnects, repeaters, आणि networked architectures बांधण्यासाठी उपलब्ध साधनसंच वाढवते. ज्या क्षेत्रात अनेक hardware stack स्पर्धा करत आहेत आणि hybrid systems बहुधा महत्त्वाच्या ठरतील, तिथे मजबूत एंटॅंगलमेंट तयार करण्याचे अतिरिक्त मार्ग धोरणात्मकदृष्ट्या महत्त्वाचे आहेत.

उरलेल्या मर्यादा

हा निकाल काळजीपूर्वक वाचला पाहिजे. स्रोत मजकूर याला सध्याच्या एंटॅंगलमेंट-निर्मिती पद्धतींच्या आशादायक पर्यायाप्रमाणे मांडतो, पूर्ण नेटवर्किंग समाधानाप्रमाणे नाही. प्रत्यक्ष वापरासाठी scaling, इतर system components सोबत integration, आणि अधिक गुंतागुंतीच्या operating conditions मध्येही ही पद्धत प्रभावी राहते याचा पुरावा आवश्यक असेल.

नियंत्रित superconducting-qubit प्रयोगात एखादी घटना दाखवणे आणि पूर्ण quantum communication architecture तैनात करणे या वेगळ्या गोष्टी आहेत. त्या टप्प्यांमधील अनुवाद हाच तो टप्पा आहे जिथे अनेक आशादायक कल्पना त्यांच्या सर्वात कठीण चाचण्यांना सामोरे जातात.

तरीही, ही प्रगती अर्थपूर्ण आहे, कारण ती प्रत्यक्ष हार्डवेअरने एका counterintuitive कल्पनेची पुष्टी करते. टीमने केवळ इतकेच दाखवले नाही की काही परिस्थितींमध्ये leakage असूनही एंटॅंगलमेंट टिकू शकतो. त्यांनी दाखवले की leakage, योग्य प्रकारे अभियांत्रित केल्यास, निर्मितीच्या यंत्रणेचा भाग बनू शकतो.

यामुळे क्वांटम तंत्रज्ञानातील सर्वात जुन्या समस्यांपैकी एकाचा दृष्टिकोन बदलतो. पर्यावरणाकडे उघडणारे प्रत्येक मार्ग दोष मानून काढून टाकण्याऐवजी, भविष्यातील प्रणाली त्यातील काही उघड्या मार्गांचा स्थिरकारी चॅनेल म्हणून निवडक वापर करू शकतात. ही तर्कशृंखला मोठ्या आणि अधिक जोडलेल्या प्रणालींमध्येही टिकली, तर quantum networks सुरुवातीपासून कशा डिझाइन केल्या जातात यावर त्याचा प्रभाव पडू शकतो.

सध्या, हा निकाल व्यापक परिणाम असलेल्या एक मूलभूत प्रात्यक्षिक म्हणून सर्वात योग्यरीत्या समजला जाऊ शकतो. तो क्षेत्रातील सर्वात हट्टी operational problems पैकी एकावर संभाव्य मार्ग देतो: transit मध्ये न गमावता एंटॅंगलमेंट कसे तयार करायचे. क्वांटम अभियांत्रिकीमध्ये, ही लहान सुधारणा नाही. ही वेगळी रणनीती आहे.

हा लेख Phys.org च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.