क्वांटम स्थिति की सही प्रतिलिपि बनाने के लिए ‘क्लोनिंग’ बाधा को पार किया गया

क्वांटम भौतिकी का एक नियम है जिसे कहा जाता है नो-क्लोनिंग प्रमेय जो आपको किसी अज्ञात क्वांटम स्थिति की पूर्ण प्रतिलिपि बनाने से रोकता है। इसने क्वांटम क्रिप्टोग्राफी से लेकर क्वांटम कंप्यूटिंग तक सब कुछ को आकार दिया है, और शोधकर्ताओं ने बड़े पैमाने पर इसे एक अपरिहार्य बाधा के रूप में स्वीकार किया है।

क्लासिकल कंप्यूटिंग में डेटा कॉपी करना मामूली बात है। हम नियमित रूप से बैकअप के लिए फ़ाइलों को क्लाउड पर कॉपी करते हैं और इसे साझा करने के लिए कोड की प्रतियां बनाते हैं। हालाँकि, क्वांटम कंप्यूटर नो-क्लोनिंग प्रमेय के कारण स्पष्ट तरीके से ऐसा कुछ नहीं कर सकते हैं, जो इस प्रकार मजबूत क्वांटम बुनियादी ढांचे के निर्माण में एक गंभीर बाधा है।

लेकिन हाल ही में, जापान, कनाडा, जर्मनी और आईबीएम क्वांटम के भौतिकविदों की एक टीम ने प्रयोगात्मक रूप से प्रमेय में एक खामी का प्रदर्शन किया, जिससे पता चला कि क्वांटम जानकारी वास्तव में दोहराई जा सकती है, बशर्ते क्लोन एन्क्रिप्टेड रहें।

शोर के लिए एक कुंजी

पिछले शोधकर्ताओं ने अनुमानित तरीके विकसित किए थे जो लगभग 83% निष्ठा के साथ अपूर्ण प्रतियां तैयार करते थे, जो इन दृष्टिकोणों के लिए सिद्ध अधिकतम है। लेकिन ये प्रतियां शोरगुल वाली और अव्यवहारिक थीं।

2023 में, कोजी यामागुची और अचिम केम्फ – नए पेपर के दो लेखकों – ने खामियों की सूचना दी (में प्रकाशित) भौतिक समीक्षा पत्र इस साल 6 जनवरी को)। खराब प्रतियों को स्वीकार करने के बजाय, उन्होंने (कागज पर) साबित कर दिया कि जब तक प्रत्येक प्रति क्वांटम शोर से घिरी हुई है, तब तक सही प्रतिलिपि बनाना संभव है, ताकि यह व्यक्तिगत रूप से बेकार हो।

यह शोर आकस्मिक नहीं है. इसे ‘नॉइज़ क्वैबिट्स’ के एक सेट में रिकॉर्ड किया गया है जो डिक्रिप्शन कुंजी के रूप में कार्य करता है। क्लोन बनाने के लिए, मूल क्वबिट को सिग्नल क्वैबिट की एक श्रृंखला के साथ बातचीत करने की अनुमति दी जाती है, जिसे क्वांटम रजिस्टर कहा जाता है, जिससे जानकारी कई सिग्नल क्वैबिट में फैल जाती है। इस स्तर पर, प्रत्येक नया क्वबिट एक क्लोन है लेकिन अधिकतम मिश्रित अवस्था भी है, जिसका अर्थ है कि यह पर्यवेक्षक को यादृच्छिक शोर जैसा दिखता है।

जब आप मूल स्थिति को पुनर्प्राप्त करना चाहते हैं, तो आप शोर क्वैबिट के पूर्ण सेट का उपयोग करके एन्क्रिप्टेड क्लोनों में से किसी एक पर डिक्रिप्शन ऑपरेशन लागू करते हैं। यह मूल को पूरी तरह से पुनर्स्थापित करता है। लेकिन डिक्रिप्शन प्रक्रिया कुंजी का उपभोग करती है। इसलिए आपके द्वारा एक क्लोन को डिक्रिप्ट करने के बाद, कुंजी चली जाती है और प्रत्येक शेष क्लोन स्थायी रूप से स्क्रैम्बल हो जाता है। इसका मतलब है कि आपको केवल एक पूर्ण पुनर्प्राप्ति मिलती है। (नो-क्लोनिंग प्रमेय कहता है कि आप एकाधिक समान प्रतियों तक स्वतंत्र रूप से नहीं पहुँच सकते।)

चार परीक्षण

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने सीधे आईबीएम हेरॉन आर 2 सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर पर प्रयोग चलाए, जिसमें 156 भौतिक क्यूबिट की सुविधा है, जो चार प्रयोगों में 154 क्यूबिट तक का उपयोग करता है।

पहले प्रयोग में मापा गया कि कैसे निष्ठा – पुनर्प्राप्त स्थिति मूल स्थिति के कितनी करीब है – एन्क्रिप्टेड क्लोनों की संख्या 2 से बढ़कर 15 हो गई है। टीम ने पाया कि अधिक प्रतियां बनाने से प्रत्येक प्रतिलिपि को पुनर्प्राप्त करना कठिन नहीं होता है। दूसरे परीक्षण ने पुष्टि की कि क्लोन शास्त्रीय के बजाय क्वांटम थे।

तीसरा सबसे महत्वाकांक्षी था. एक ही चरण में सभी क्लोन बनाने के बजाय, टीम ने एक क्यूबिट का क्लोन बनाया, फिर उन क्लोनों का क्लोन बनाया, इत्यादि। सभी 154 उपलब्ध क्वैबिट का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि समान स्तर के शोर के साथ अधिक क्वैबिट के साथ, सिग्नल को पता लगाने योग्य रखते हुए 729 क्लोन तक का उत्पादन किया जा सकता है।

अंत में, टीम ने प्रोटोकॉल को जीएचजेड स्थिति में एक साथ उलझे कई क्वैबिट के समानांतर लागू किया – उलझाव का एक जटिल रूप जिसमें कई क्वैबिट शामिल हैं। और उन्होंने पुष्टि की कि वे केवल एकल पृथक क्वैबिट के बजाय संपूर्ण क्वांटम रजिस्टरों का बैकअप लेने के लिए एन्क्रिप्टेड क्लोनिंग का उपयोग कर सकते हैं।

परिष्कृत समझ

अध्ययन के लेखकों के अनुसार, उनके प्रयोगों के लिए वैज्ञानिकों को नो-क्लोनिंग प्रमेय की समझ को परिष्कृत करने की आवश्यकता है। उन्होंने तर्क दिया कि वास्तविक बाधा यह नहीं है कि क्वांटम जानकारी को कॉपी नहीं किया जा सकता है और व्यापक रूप से फैलाया जा सकता है – यह हो सकता है – लेकिन उस जानकारी तक पहुंच प्रतिबंधित है और प्रत्येक सेटअप इसे पुनर्प्राप्त करने के लिए केवल एक शॉट की अनुमति देता है।

“उदाहरण के लिए, एन्क्रिप्टेड क्लोनिंग सक्षम बनाता है… निरर्थक क्वांटम क्लाउड स्टोरेज: एक क्वांटम क्लाउड स्टोरेज प्रदाता क्लाइंट के क्वांटम डेटा के एन्क्रिप्टेड क्लोन को अलग-अलग सर्वर पर होस्ट करता है,” लेखकों ने लिखा। “जब तक कम से कम एक सर्वर जीवित रहता है, क्लाइंट जीवित क्लोनों को डिक्रिप्ट करके अपने सभी डेटा को पूरी तरह से पुनर्प्राप्त कर सकता है। क्वांटम क्लाउड स्टोरेज क्वांटम क्लाउड कंप्यूटिंग के लिए एक प्लेटफॉर्म के रूप में भी काम कर सकता है।”

यह एक दुर्लभ उदाहरण है जिसमें एक नए, गहन विचार का लगभग तुरंत परीक्षण किया गया है, और प्रारंभिक परिणाम साबित करते हैं कि प्रोटोकॉल उम्मीद के मुताबिक प्रदर्शन करता है। पहले के कई प्रस्तावों की तुलना में इस प्रोटोकॉल का एक प्रमुख लाभ यह है कि पुनर्प्राप्त क्वबिट एक अनुमानित प्रतिलिपि के बजाय मूल स्थिति के समान है। यह कार्य निश्चित रूप से विश्वसनीय क्वांटम यादें बनाने पर आगे के शोध को प्रोत्साहित करेगा, जो कई क्वांटम सूचना प्रसंस्करण प्रोटोकॉल के लिए आवश्यक हैं।

एस. श्रीनिवासन क्रेया विश्वविद्यालय में भौतिकी के प्रोफेसर हैं।