क्वांटम कंप्यूटिंग अभी गर्म हुई है: एकदम शून्य से 1 डिग्री ऊपर

(एंड्रयू डज़ुराक और आंद्रे लुइज़ सारावा डी ओलिवेरा, केंसिंग्टन)

क्वींसलैंड, 29 मार्च (द कन्वरसेशन) दशकों से, क्वांटम कंप्यूटिंग की खोज बेहद कम तापमान की आवश्यकता से जूझ रही है, परम शून्य से एक डिग्री के अंशमात्र ऊपर (0 केल्विन या -273.15°सी)। ऐसा इसलिए है क्योंकि क्वांटम घटनाएँ जो क्वांटम कंप्यूटरों को उनकी अद्वितीय कम्प्यूटेशनल क्षमताएँ प्रदान करती हैं, उन्हें केवल हमारी दुनिया की गर्मी से अलग करके ही उपयोग किया जा सकता है।

एक एकल क्वांटम बिट या ‘‘क्यूबिट’’, जो शास्त्रीय कंप्यूटिंग के केंद्र में बाइनरी ‘‘शून्य या एक’’ बिट के बराबर है, को कार्य करने के लिए एक बड़े प्रशीतन उपकरण की आवश्यकता होती है।

हालाँकि, कई क्षेत्रों में जहां हम क्वांटम कंप्यूटरों से सफलता मिलने की उम्मीद करते हैं – जैसे कि नई सामग्री या दवाओं को डिजाइन करने में – हमें समानांतर में काम करने वाले बड़ी संख्या में क्यूबिट या यहां तक ​​कि पूरे क्वांटम कंप्यूटर की आवश्यकता होगी।

क्वांटम कंप्यूटर जो विश्वसनीय गणनाओं के लिए आवश्यक, त्रुटियों को प्रबंधित कर सकते हैं और स्वयं-सही कर सकते हैं, उनके पैमाने में विशाल होने का अनुमान है। गूगल, आईबीएम और पीएसआईक्वांटम जैसी कंपनियाँ शीतलन प्रणालियों से भरे संपूर्ण गोदामों के भविष्य की तैयारी कर रही हैं और एकल क्वांटम कंप्यूटर को चलाने के लिए बड़ी मात्रा में बिजली की खपत करती हैं।

लेकिन अगर क्वांटम कंप्यूटर थोड़े अधिक तापमान पर भी काम कर सकें, तो उन्हें संचालित करना बहुत आसान हो सकता है – और अधिक व्यापक रूप से उपलब्ध हो सकता है।

नेचर में प्रकाशित नए शोध में, हमारी टीम ने एक निश्चित प्रकार का क्यूबिट दिखाया है जो व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों का स्पिन है और 1के के आसपास के तापमान पर काम कर सकता है, जो पहले के उदाहरणों की तुलना में कहीं अधिक गर्म है।

ठंडे, कठिन तथ्य

कम तापमान पर शीतलन प्रणालियाँ कम कुशल हो जाती हैं। इसे और भी बदतर बनाने के लिए, आज हम क्यूबिट को नियंत्रित करने के लिए जिन प्रणालियों का उपयोग करते हैं, वे ईएनआईएसी और 1940 के दशक के अन्य विशाल कंप्यूटरों की याद दिलाते हुए तारों की गड़बड़ी को आपस में जोड़ते हैं। ये प्रणालियाँ ताप बढ़ाती हैं और क्यूबिट को एक साथ काम करने में भौतिक बाधाएँ पैदा करती हैं।

हम जितना अधिक क्यूबिट को भरने का प्रयास करते हैं, समस्या उतनी ही अधिक कठिन होती जाती है। एक निश्चित बिंदु पर वायरिंग की समस्या विकराल हो जाती है।

उसके बाद, नियंत्रण प्रणालियों को क्यूबिट के समान चिप्स में बनाने की आवश्यकता होती है। हालाँकि, ये एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक्स तारों की बड़ी गड़बड़ी की तुलना में और भी अधिक शक्ति का उपयोग करते हैं – और अधिक गर्मी नष्ट करते हैं।

एक गर्म मोड़

हमारा नया शोध आगे का रास्ता पेश कर सकता है। हमने प्रदर्शित किया है कि एक विशेष प्रकार की क्यूबिट – जिसे सिलिकॉन पर धातु इलेक्ट्रोड के साथ मुद्रित क्वांटम डॉट के साथ बनाया गया है, मौजूदा माइक्रोचिप उत्पादन में उपयोग की जाने वाली तकनीक का उपयोग करके – 1के के आसपास के तापमान पर काम कर सकता है।

यह पूर्ण शून्य से केवल एक डिग्री ऊपर है, इसलिए यह अभी भी अत्यधिक ठंडा है। हालाँकि, यह पहले की संभावना से काफी अधिक गर्म है। यह सफलता विशाल प्रशीतन बुनियादी ढांचे को अधिक प्रबंधनीय, एकल प्रणाली में बदल सकती है। इससे परिचालन लागत और बिजली की खपत में भारी कमी आएगी।

ऐसी तकनीकी प्रगति की आवश्यकता केवल शैक्षणिक नहीं है। दवा डिजाइन जैसे क्षेत्रों में बहुत ज्यादा है, जहां क्वांटम कंप्यूटिंग आणविक संरचनाओं को समझने और उनके साथ तालमेल करने के तरीके में क्रांतिकारी बदलाव लाने का वादा करती है।

इन उद्योगों में अनुसंधान और विकास व्यय, अरबों डॉलर में चल रहा है, अधिक सुलभ क्वांटम कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों से संभावित लागत बचत और दक्षता लाभ को रेखांकित करता है।

धीमी जलन

‘‘गर्म’’ क्यूबिट नई संभावनाएं प्रदान करते हैं, लेकिन वे त्रुटि सुधार और नियंत्रण में नई चुनौतियां भी पेश करेंगे। उच्च तापमान का मतलब माप त्रुटियों की दर में वृद्धि हो सकता है, जो कंप्यूटर को कार्यात्मक बनाए रखने में और कठिनाइयां पैदा करेगा।

क्वांटम कंप्यूटर के विकास में अभी शुरुआती दिन हैं। क्वांटम कंप्यूटर एक दिन आज के सिलिकॉन चिप्स की तरह सर्वव्यापी हो सकते हैं, लेकिन उस भविष्य का रास्ता तकनीकी बाधाओं से भरा होगा।

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