क्वांटम कंप्यूटिंग युग तभी शुरू होगा जब हम शोर को शांत करेंगे

में प्रकाशित एक पेपर में सांख्यिकीय भौतिकी जर्नल 1980 में, अमेरिकी भौतिक विज्ञानी पॉल बेनिओफ़ ने उस चीज़ का वर्णन किया जिसे अब क्वांटम ट्यूरिंग मशीन कहा जाता है: एक कंप्यूटर का एक मॉडल जो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार संचालित होता है।

क्वांटम यांत्रिकी भौतिकी की वह शाखा है जो परमाणु और उप-परमाणु पैमाने पर पदार्थ और प्रकाश के व्यवहार का अध्ययन करती है। इन पैमानों पर, शास्त्रीय यांत्रिकी से जुड़ी निश्चितता गायब हो जाती है। किसी कण के गुणों को इंगित करने के बजाय, वैज्ञानिक केवल शिक्षित अनुमान लगा सकते हैं।

यह अनिश्चितता कठिन लग सकती है। लेकिन बेनिओफ़ – और ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी डेविड ड्यूश, अमेरिकी भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन और अमेरिकी कंप्यूटर वैज्ञानिक पीटर शोर जैसे अन्य वैज्ञानिकों ने गणना के लिए इसका उपयोग करने के तरीके सुझाए। उनका काम अंततः समकालीन दुनिया की सबसे महत्वाकांक्षी तकनीकी गतिविधियों में से एक की नींव बन गया, जिसके लिए भारत सरकार ने अप्रैल 2023 में 6,000 करोड़ रुपये से अधिक की मंजूरी दी।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग की वेबसाइट के अनुसार, 2031 तक, राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (एनक्यूएम) – जिसके उद्देश्यों में “मध्यवर्ती स्तर के क्वांटम कंप्यूटर” का निर्माण शामिल है – “भारत को क्वांटम प्रौद्योगिकियों और अनुप्रयोगों के विकास में अग्रणी देशों में से एक बनाने” की उम्मीद है।

प्रचार से परे

राष्ट्रवादी गौरव से परे, क्वांटम कंप्यूटर की संभावनाएँ लुभावनी हैं। अन्य बातों के अलावा, क्वांटम कंप्यूटर से एक नए युग की शुरुआत करने की उम्मीद है कि कैसे हम अणुओं और उनकी अंतःक्रियाओं का अनुकरण करते हैं, अपने डिजिटल जीवन को सुरक्षित करते हैं, जटिल लॉजिस्टिक नेटवर्क का अनुकूलन करते हैं, और प्राकृतिक घटनाओं का मॉडल बनाते हैं जो हमारे सबसे शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों को भी प्रभावित करते हैं।

हालाँकि, इसमें शामिल लोग प्रचार के प्रति चेतावनी देते हैं। टेक दिग्गज के क्वांटम कंप्यूटिंग अनुसंधान प्रभाग, Google क्वांटम AI के प्रवक्ता, जेसन फ्रीडेनफेल्ड्स ने कहा, “क्षेत्र में आप जो दावे सुनते हैं, उन्हें संदेह के साथ मानना ​​उचित है।” “आज तक किसी ने भी प्रयोगात्मक रूप से ऐसी व्यावसायिक रूप से प्रासंगिक समस्या का प्रदर्शन नहीं किया है जिसे आज के क्वांटम कंप्यूटरों द्वारा हल किया जा सकता है जिसे शास्त्रीय सुपर कंप्यूटर द्वारा हल नहीं किया जा सकता है।”

भारतीय विज्ञान संस्थान के भौतिक विज्ञानी अरिंदम घोष, जो कर्नाटक सरकार की क्वांटम टास्क फोर्स के अध्यक्ष हैं, सहमत हुए। उन्होंने कहा, “कम से कम इस समय, यह विश्वास करने का कोई कारण नहीं है कि जिस शास्त्रीय कंप्यूटिंग को हम आज तक जानते हैं वह किसी भी रूप में ख़त्म होने वाली है।” डॉ. घोष ने एनक्यूएम के क्वांटम मैटेरियल्स एंड डिवाइसेज वर्टिकल के लिए विजन डॉक्यूमेंट का भी नेतृत्व किया।

वादे और प्रदर्शन के बीच इस अंतर के केंद्र में हार्डवेयर है।

क्वांटम कंप्यूटर का निर्माण

क्लासिकल कंप्यूटर के प्रोसेसर अरबों छोटे उपकरणों से बने होते हैं जिन्हें ट्रांजिस्टर कहा जाता है। सिलिकॉन से बने, ये विद्युत संकेतों को बढ़ा या अवरुद्ध कर सकते हैं। यदि कोई ट्रांजिस्टर करंट को अपने से गुजरने की अनुमति देता है, तो इसे चालू स्थिति में कहा जाता है (संख्या 1 द्वारा दर्शाया गया); इसके विपरीत, यदि यह विद्युत संकेतों को गुजरने से रोकता है, तो इसे बंद स्थिति में कहा जाता है (0 द्वारा दर्शाया गया है)।

ट्रांजिस्टर की ये अवस्थाएँ शास्त्रीय कंप्यूटरों में डेटा की मूलभूत इकाई बनाती हैं: थोड़ा सा।

क्वांटम कंप्यूटर बिट को क्वबिट (‘क्वांटम बिट’) से बदल देते हैं। एक बिट के विपरीत, जो किसी भी समय 0 या 1 अवस्था में हो सकता है, एक क्वबिट एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकता है: 0, 1, और उनके बीच की अनंत अवस्थाओं में से कोई भी। यह हवा में उछाले गए सिक्के की तरह है; यह जमीन पर गिरने तक सिर और पूंछ दोनों है। इस गुण को सुपरपोजिशन कहा जाता है। यह शास्त्रीय बिट्स की तुलना में क्विबिट्स को बहुत बड़ी मात्रा में जानकारी का प्रतिनिधित्व करने की अनुमति देता है।

इसके अलावा, क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के लिए धन्यवाद, क्वैबिट को भी उलझाया जा सकता है। अर्थात्, उनके बीच की भौतिक दूरी की परवाह किए बिना उनके राज्य अटूट रूप से जुड़े हो सकते हैं। किसी एक क्वैबिट पर की गई कोई भी कार्रवाई या माप अन्य सभी उलझे हुए क्वैबिट की स्थिति को प्रभावित करेगी।

आईआईटी-एम के ज़ांज़ीबार परिसर के वर्तमान निदेशक-प्रभारी, आईआईटी-एम क्वांटम कंप्यूटिंग शोधकर्ता प्रभु राजगोपाल ने बताया, यह क्वांटम कंप्यूटर को “एक शास्त्रीय मशीन के बड़े पैमाने पर समानांतर संस्करण” बनाता है।

सुपरपोज़िशन और उलझाव बड़े पैमाने पर प्रसंस्करण की गति को बढ़ाते हैं – विशेष रूप से उन कार्यों के लिए जिनमें बड़ी मात्रा में डेटा के साथ काम करने और किसी समस्या के कई अलग-अलग समाधानों की तुलना करने के लिए मशीन की आवश्यकता होती है। ऐसे कार्यों के उदाहरणों में “सॉर्टिंग एल्गोरिदम और खोज एल्गोरिदम” शामिल हैं, डॉ. घोष ने सुझाव दिया।

सॉर्टिंग एल्गोरिदम वस्तुओं के समूह को एक विशिष्ट क्रम में पुनर्व्यवस्थित करने के निर्देश प्रदान करते हैं; उदाहरण के लिए, एक ऑनलाइन स्टोर जो वास्तविक समय में कीमत के अनुसार उत्पादों को व्यवस्थित करता है। खोज एल्गोरिदम यह निर्देशित करते हैं कि डेटा के एक बड़े सेट से विशिष्ट डेटा बिंदुओं को कैसे खोजा जाए (उदाहरण के लिए, यह पता लगाना कि कौन सी दो धातुएं धातुओं के सभी संभावित संयोजनों से आवश्यक गुणों के साथ एक मिश्र धातु बनाएंगी)।

उनकी उत्पत्ति के आधार पर, क्वैबिट विभिन्न प्रकार के हो सकते हैं। सुपरकंडक्टिंग क्वबिट जोसेफसन जंक्शन नामक उपकरण से बनाए जाते हैं। इसमें दो सुपरकंडक्टर्स शामिल हैं – ऐसी सामग्रियां जो लगभग नगण्य प्रतिरोध के साथ करंट को प्रवाहित करने की अनुमति देती हैं – एक पतली बाधा द्वारा अलग की जाती हैं। दिसंबर 2024 में लॉन्च हुआ Google का क्वांटम प्रोसेसर विलो इसका उदाहरण है।

क्वैबिट बनाने के अन्य तरीकों में सिलिकॉन, गैलियम आर्सेनाइड, या जर्मेनियम (जिन्हें क्वांटम डॉट क्वैब कहा जाता है) जैसे अर्धचालकों के छोटे कणों का उपयोग करना शामिल है; अलग-अलग आयनों को फंसाना और हेरफेर करना (ट्रैप्ड आयन क्वैबिट); प्रकाश के कणों में हेरफेर (फोटोनिक क्वैबिट); और अणुओं के भीतर नाभिक के कोणीय संवेग (परमाणु चुंबकीय अनुनाद, या एनएमआर, क्यूबिट) का उपयोग करना।

उत्तम मशीन, अपूर्ण पुर्जे

1998 में, शोधकर्ताओं के दो समूह – एक ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय से, और दूसरे में आईबीएम, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय बर्कले, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिक शामिल थे – पहली बार एक क्वांटम कंप्यूटर का अनावरण किया गया जिसमें दो एनएमआर क्यूबिट शामिल थे। उस कंप्यूटर पर, उन्होंने Deutsch-Jozsa समस्या को हल किया, पहली बार प्रदर्शित किया कि क्वांटम कंप्यूटर शास्त्रीय कंप्यूटरों की तुलना में कुछ समस्याओं को नाटकीय रूप से तेजी से हल कर सकते हैं।

Deutsch-Jozsa समस्या कंप्यूटर से यह निर्धारित करने के लिए कहती है कि कोई गणितीय फ़ंक्शन स्थिर है या संतुलित है। फ़ंक्शंस ऐसे नियम हैं जो एक इनपुट लेते हैं और उसे संबंधित आउटपुट उत्पन्न करने के लिए संसाधित करते हैं। एक स्थिर फ़ंक्शन सभी संभावित इनपुट के लिए समान मान लौटाएगा। दूसरी ओर, एक संतुलित फ़ंक्शन विभिन्न इनपुट के लिए अलग-अलग आउटपुट लौटाएगा। हालाँकि समस्या का कोई व्यावहारिक उपयोग नहीं था, लेकिन मील का पत्थर महत्वपूर्ण था। एक क्वांटम कंप्यूटर साकार हो चुका था।

तब से, तकनीकी कंपनियां तेजी से बड़े प्रोसेसर बनाने की होड़ में हैं, कैलिफोर्निया स्थित एटम कंप्यूटिंग ने 2023 में 1,000 से अधिक क्यूबिट वाले क्वांटम कंप्यूटर की सूचना दी है। आज के क्वांटम कंप्यूटरों ने बेंचमार्क पर क्लासिकल कंप्यूटरों से बेहतर प्रदर्शन किया है, एल्गोरिदम को सफलतापूर्वक चलाया है जो क्लासिकल कंप्यूटरों को अव्यावहारिक रूप से लंबा समय लेगा, और गणना कुछ छोटे अणुओं की संरचना।

फिर भी वे व्यावहारिक रूप से उपयोगी होने से अभी भी वर्षों दूर हैं, इस रिपोर्टर ने जिन शोधकर्ताओं से बात की, वे इस बात से सहमत थे। चुनौती का एक हिस्सा अधिक क्वैबिट वाले प्रोसेसर बनाना है। दूसरा, अधिक महत्वपूर्ण हिस्सा “शोर और त्रुटियों” से निपटना है, आईआईटी-एम क्वांटम कंप्यूटिंग शोधकर्ता डॉ. राजगोपाल ने बताया। यही कारण है कि कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के क्वांटम कंप्यूटिंग शोधकर्ता जॉन प्रेस्किल ने समकालीन क्वांटम प्रोसेसर को “शोर इंटरमीडिएट-स्केल क्वांटम कंप्यूटिंग” कहा है।

क्यूबिट अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील और अल्पकालिक होते हैं। पर्यावरण के साथ किसी भी तरह की बातचीत – जिसमें प्रकाश के कण भी शामिल हैं – क्वैबिट को अपनी क्वांटम स्थिति खोने का कारण बनती है, एक घटना जिसे डिकोहेरेंस कहा जाता है। इसे रोकने के लिए, क्वैबिट को पर्यावरण से अलग किया जाता है और पूर्ण शून्य (-273 डिग्री सेल्सियस) के करीब तापमान तक ठंडा किया जाता है।

इसके अलावा, वे तंत्र जिनके द्वारा क्वैब को नियंत्रित और हेरफेर किया जाता है, जैसे लेजर या माइक्रोवेव पल्स, स्वयं शायद ही कभी सही होते हैं। साथ में, इनके कारण क्वांटम प्रोसेसर शोर और अंततः त्रुटियों से ग्रस्त हो जाते हैं।

समकालीन क्वांटम प्रोसेसर में त्रुटि दर 1% से 0.1% है। अर्थात्, प्रत्येक 100 से 1000 क्वांटम ऑपरेशनों में से एक के परिणामस्वरूप त्रुटि होती है। इसके विपरीत, शास्त्रीय कंप्यूटर प्रत्येक क्विंटिलियन (10 के बाद 17 शून्य) ऑपरेशन में से एक की दर से त्रुटियां करते हैं। वास्तव में, कुछ शोधकर्ता, जैसे कोपेनहेगन विश्वविद्यालय के माइकल कस्टोरियानो, सुझाव दिया है क्वांटम प्रोसेसर की त्रुटि दर 1,00,00,000 ऑपरेशनों में से एक से कम होने की संभावना नहीं है।

फिर, के शब्दों में, क्वांटम कंप्यूटिंग के सामने चुनौती है क्वांटा पत्रिका“आप अपूर्ण भागों से एक आदर्श मशीन कैसे बनाते हैं?”

त्रुटियाँ ठीक करना

उत्तर: त्रुटि सुधार. यह तकनीकों का एक सेट है जो कई क्वैबिट को एक “तार्किक क्वबिट” के रूप में एक साथ काम करने के लिए मजबूर करता है। एक कंप्यूटर गणना करने के लिए ऐसे कई तार्किक क्वैबिट का उपयोग कर सकता है।

हालाँकि, एक समस्या है. केवल अधिक क्वैबिट जोड़ने से मदद नहीं मिलती। यदि प्रत्येक क्वैबिट में त्रुटियां होने की संभावना है, तो अधिक क्वैबिट जोड़ने से तार्किक क्वैबिट का प्रदर्शन खराब हो सकता है। लेकिन अगर वैज्ञानिक अलग-अलग क्वबिट के लिए त्रुटि दर को एक निश्चित सीमा से नीचे धकेल सकते हैं, तो हमें एक ऐसी प्रणाली मिलती है जिसकी त्रुटि दर प्रत्येक अतिरिक्त क्वबिट के साथ तेजी से गिरती है।

यह बिल्कुल वही है जो Google क्वांटम AI शोधकर्ताओं ने 2024 में पहली बार दिखाया था प्रकृतिकागज़ उनके प्रोसेसर विलो के साथ। टीम के सदस्य माइकल न्यूमैन और केविन सैट्ज़िंगर ने 2024 ब्लॉग पोस्ट में अध्ययन की व्याख्या करते हुए लिखा, “हर बार जब हम अपने एन्कोडेड क्यूबिट को 3×3 से 5×5 से 7×7 भौतिक क्यूबिट तक बढ़ाते हैं, तो एन्कोडेड त्रुटि दर दो के कारक से दब जाती है।” उन्होंने कहा, “यह एक तार्किक क्वबिट में परिणत होता है जिसका जीवनकाल इसके सर्वोत्तम घटक भौतिक क्वबिट से दोगुने से अधिक है।”

इसके साथ, Google अपने अगले लक्ष्य पर काम कर रहा है: “एक लंबे समय तक चलने वाला तार्किक, या त्रुटि-सुधारित, क्वबिट,” प्रवक्ता फ्रीडेनफेल्ड्स ने कहा। “हम अगले पांच वर्षों के भीतर पहले उपयोगी क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों की उम्मीद करते हैं।”

अंततः, Google ने “पूरी तरह से दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटर” बनाने के लिए इन हजारों तार्किक क्वैबिट को एक साथ जोड़ने की योजना बनाई है। आईबीएम को 2029 तक अपना डेब्यू करने की उम्मीद है।

‘हर चीज बदलेगी’

यदि ये अनुमान सही हैं, तो एक व्यावहारिक रूप से उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर व्यावहारिक रूप से हमारे दरवाजे पर दस्तक दे रहा है। वैज्ञानिकों के बीच प्रत्याशा स्पष्ट है। “सब कुछ बदल जाएगा” उनका आम कथन है।

“जिस दिन हमें एक औद्योगिक-ग्रेड क्वांटम कंप्यूटर मिलेगा, जलवायु मॉडलिंग के इस क्षेत्र में सब कुछ [will] परिवर्तन,” वेस्टर्न केंटुकी विश्वविद्यालय के जलवायु मॉडेलर और सहायक प्रोफेसर मनमीत सिंह ने कहा। डॉ. घोष और डॉ. राजगोपाल ने सामग्री मॉडलिंग और क्रिप्टोग्राफी में क्वांटम कंप्यूटर की भूमिका के बारे में अपना उत्साह व्यक्त किया।

हालाँकि, क्वांटम कंप्यूटरों को लैपटॉप तक पहुँचने में कुछ समय लग सकता है, यदि ऐसा होता है, तो “यह उससे पहले ही एक तकनीकी क्रांति ला सकता है,” डॉ. घोष ने कहा।

सायंतन दत्ता एक स्वतंत्र विज्ञान पत्रकार और एलायंस यूनिवर्सिटी, बेंगलुरु में संकाय सदस्य हैं।