क्वांटम नियंत्रण का एक नया रूप क्वांटम कंप्यूटर की स्थिरता को बढ़ा सकता है

हाइजेनबर्ग सीमा को पार नहीं किया जा सकता है, लेकिन यदि आप सावधानीपूर्वक गणना करते हैं, तो आप इसके करीब पहुंच सकते हैं

क्वांटम कंप्यूटिंग क्वांटम राज्यों के नियंत्रण पर आधारित है। हाल ही में, अधिक से अधिक समाचार सामने आए हैं कि क्वांटम कंप्यूटर किसी चीज़ की गणना कैसे करते हैं, और इस तरह के कंप्यूटरों को नियंत्रित करने की क्षमता प्रदान की जाती है। लेकिन वास्तव में, यह नियंत्रण अभी भी क्वांटम कंप्यूटर के विकास के लिए एक सीमित कारक के रूप में कार्य करता है।

इस पूरे विषय के अंत में क्विबेट्स हैं , क्वांटम ऑब्जेक्ट्स का उपयोग जानकारी को एन्कोड करने के लिए किया जाता है। क्वांटम कंप्यूटर की क्षमताओं का एक हिस्सा इस तथ्य से आता है कि एक qubit को एक सुपरपोजिशन राज्य में स्थानांतरित किया जा सकता है, जो समानांतर गणनाओं को व्यवस्थित करने की अनुमति देता है। क्वांटम एल्गोरिदम का लक्ष्य एक तरह से क्वैबिट्स के सुपरपोजिशन के राज्यों में हेरफेर करना है, जब क्वैब को मापते समय, यह सही उत्तर के अनुरूप बाइनरी वैल्यू देता है।

और इसका मतलब सुपरपोज़िशन की स्थिति की निगरानी करना है, जिसमें उच्च-परिशुद्धता और बहुत महंगा उपकरण शामिल है। सुधार आमतौर पर इस तथ्य से युक्त होते हैं कि उपकरण सस्ता हो जाता है। लेकिन एक नए अध्ययन से पता चलता है कि हम मौजूदा उपकरणों और सरल चाल का उपयोग करके 1000 के एक कारक द्वारा नियंत्रण में सुधार करने में सक्षम हो सकते हैं।

नियंत्रण की समस्या को समझने के लिए, आपको सुपरपोज़िशन के बारे में थोड़ा समझने की आवश्यकता है। क्वांटम सुपरपोज़िशन के राज्यों का वर्णन करते हुए, हम आमतौर पर कुछ सम्मेलनों का उपयोग करते हैं और कुछ इस तरह कहते हैं: "इसका मतलब है कि कण एक ही समय में दो राज्यों में है।"

लेकिन हमारे उद्देश्यों के लिए यह पर्याप्त नहीं है, और, यह मुझे लगता है, किसी भी मामले में यह भ्रामक है। एक क्वांटम वस्तु में कई मापने योग्य गुण होते हैं। और जबकि यह संपत्ति, उदाहरण के लिए, स्थिति को मापा नहीं जाता है, इसका कोई मूल्य नहीं है। हमें संभावनाओं के संदर्भ में सोचना होगा: यदि हम मापना चाहते हैं, तो एक निश्चित मूल्य प्राप्त करने की संभावना क्या है?

यह सामान्य तौर पर है। और विशेष रूप से, "लहर फ़ंक्शन" की अत्यंत असामान्य अवधारणा का पता चला है, यह "संभावना का आयाम" भी है। संभावना हमेशा सकारात्मक या शून्य और वास्तविक होती है, लेकिन आयाम सकारात्मक, नकारात्मक या जटिल हो सकता है। और वह सब कुछ बदल देता है।

मान लीजिए कि हमारे पास एक अलग कण है, और हम इसे स्क्रीन पर दो स्लॉट के साथ शूट करते हैं। एक कण किसी भी स्लॉट से गुजर सकता है या स्क्रीन में प्रवेश कर सकता है। स्क्रीन के दूसरी तरफ हम डिटेक्टर को स्थिति देंगे और खुद से सवाल पूछेंगे: "एक कण का पता लगाने की संभावना क्या है?"

ऐसा करने के लिए, हमें प्रत्येक पथ के तरंग कार्यों को जोड़ना होगा जो एक कण डिटेक्टर की यात्रा कर सकते हैं। एम्प्लिट्यूड सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है, इसलिए उनकी राशि हमेशा अधिक नहीं होगी। यह शून्य भी हो सकता है।

यदि हम डिटेक्टर के कई अलग-अलग संभावित पदों के लिए गणना करते हैं, तो हम कई जगह पाएंगे जहां संभावना शून्य है, और समान संभावना वाले कई स्थान हैं। यदि आप इस तरह का प्रयोग करते हैं, तो आप यही उपाय करेंगे। एक हजार अलग-अलग कण दरारें से गुजरने के बाद, ऐसे स्थान खोलेंगे जहां वे कभी नहीं पाए गए हैं, और वे स्थान जहां वे नियमित रूप से पाए गए थे।

मैं किससे आगे बढ़ रहा हूं? क्वांटम यांत्रिकी में, परिणामों की सटीक भविष्यवाणी करने के लिए, सभी संभावित तरीकों को जानना आवश्यक है जिसमें एक कण एक निश्चित स्थान तक पहुंच सकता है। इसलिए हमारे उदाहरण में, हमें अपने डिटेक्टर के दोनों तरीकों पर विचार करना होगा। इस वजह से, लोग अक्सर कहते हैं कि एक कण एक ही समय में दोनों स्लिट्स से गुजरता है।

लेकिन तरंग कार्यों के अलावा यह निर्धारित करता है कि एक कण का पता लगाया जा सकता है, और जहां आप इसे नहीं ढूंढ सकते हैं। इसलिए यदि आप उन रास्तों में से एक को बदलते हैं जिनसे एक कण गुजर सकता है, तो आप आयामों को बदलते हैं और उन स्थानों को स्थानांतरित करते हैं जहां कण का पता लगाया जा सकता है।

सुपरपोजिशन का उपयोग करना

तो मूल्य को मापने की संभावना संभाव्य तरंग के इतिहास पर निर्भर करती है। इसमें सभी संभव पथ शामिल हैं। और इसे एक अद्भुत सेंसर में बदल दिया जा सकता है। और हम वास्तव में चरम संवेदनशीलता के साथ समय बीतने को मापने के लिए इस सर्किट का उपयोग करते हैं। यह अन्य गुणों को मापने के लिए भी अच्छा काम करता है।

एक सामान्य उदाहरण एक चुंबकीय क्षेत्र सेंसर है। एक इलेक्ट्रॉन को एक छोटा चुंबक माना जा सकता है। एक इलेक्ट्रॉन चुंबक एक चुंबकीय क्षेत्र में या तो लाइनों की दिशा में या उनके खिलाफ जाएगा। इसलिए, हम इलेक्ट्रॉन को एक सुपरपोज़िशन अवस्था में ला सकते हैं, जहाँ इसे लाइनों के साथ और साथ जोड़ दिया जाता है। चुंबकीय क्षेत्र दो राज्यों की तरंग क्रिया को बदलता है, और परिवर्तनों की ताकत चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पर निर्भर करती है।

चुंबकीय क्षेत्र से गुजरने के बाद, हम इलेक्ट्रॉन चुंबक के उन्मुखीकरण को मापते हैं। एकमात्र माप हमें कुछ भी नहीं बताता है, लेकिन एक हजार इलेक्ट्रॉनों के बाद हमारे पास दो झुकावों की सापेक्ष संभावनाएं होंगी। इसके आधार पर, हम चुंबकीय क्षेत्र की ताकत की गणना कर सकते हैं।

सिद्धांत रूप में, एक बहुत ही सटीक सेंसर इस तरह से काम कर सकता है। केवल एक चीज परेशान करती है: शोर। वेव फ़ंक्शंस का अर्थ उनके द्वारा चुने गए पथ पर निर्भर करता है (लेकिन जरूरी नहीं कि वे जिस दूरी पर जाएं)। यह पथ स्थानीय पर्यावरण के प्रभाव में अप्रत्याशित रूप से बदल जाता है, इसलिए प्रत्येक इलेक्ट्रॉन वास्तव में चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव का माप होगा जो हमें रुचिकर बनाता है, साथ ही शोर का योगदान भी। और यह योगदान प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के लिए अलग है। यदि शोर काफी मजबूत है, तो सब कुछ बराबर हो जाएगा और दो माप परिणामों में समान संभावनाएं होंगी।

शोर कम नहीं किया जा सकता है। इसलिए, एक अच्छा माप प्राप्त करने के लिए, इलेक्ट्रॉन को यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के प्रति कम संवेदनशील और संकेत के प्रति अधिक संवेदनशील बनाना आवश्यक है।

संवेदनशीलता बढ़ाएं

समय-निर्भर संकेतों को मापने के मामले में, आपको समय-समय पर इलेक्ट्रॉन को बहुत मुश्किल से किक करने की आवश्यकता होती है। किक या किसी शोर की अनुपस्थिति में, इलेक्ट्रॉन के लिए संभावना समय के साथ सुचारू रूप से बदल जाती है। शोर इन परिवर्तनों के साथ छलांग जोड़ता है। ऐसा लगता है कि लहर आपके द्वारा किसी समय किसी के आगे या पीछे कूद रही है।

लेकिन हमें छोटे जंप की आवश्यकता नहीं है, वे सिग्नल के साथ हस्तक्षेप करेंगे। इसके बजाय, आपको एक क्वांटम बेसबॉल बैट के साथ इलेक्ट्रॉन को हिट करने की आवश्यकता है, जिससे एक पर्याप्त रूप से बड़ी छलांग हो सकती है जो दो संभावित परिणामों के तरंग कार्यों को स्वैप कर सकती है (इसे π-पल्स कहा जाता है)। यदि आप नियमित अंतराल पर ऐसा करते हैं, तो प्रभाव शोर के कारण इस अंतराल के संचालन के दौरान दिखाई देने वाले सभी परिवर्तनों को रद्द कर देता है।

तो अगर कोई संकेत नहीं है, और केवल शोर है, तो आपको संभावना में बदलाव नहीं मिलेगा। लेकिन अगर चुंबकीय क्षेत्र एक स्थिर आवृत्ति (या, अधिक सटीक रूप से, इस आवृत्ति के साथ quill दोलन का कारण बनता है) के साथ दोलन करता है, तो लहर फ़ंक्शन में परिवर्तन जमा हो जाएगा।

यह तभी काम करता है जब संकेत किक्स के बीच अंतराल के बराबर अवधि में बदलते हैं। वास्तव में, हमें एक बहुत ही संकीर्ण फिल्टर मिलता है (जो लोग इस विवरण में इलेक्ट्रॉनिक्स में रुचि रखते हैं वे एक तुल्यकालिक एम्पलीफायर को पहचान सकते हैं)।

और यद्यपि फ़िल्टर प्रयोज्य होने के लिए पर्याप्त संकीर्ण है, इसे आसानी से आवृत्ति में नहीं बदला जा सकता है, इसलिए हम विभिन्न आवृत्तियों को स्कैन नहीं कर सकते हैं। समस्या प्रौद्योगिकी है। क्वांटम बेसबॉल बैट में अक्सर माइक्रोवेव पल्स होता है। इन दालों को किसी न किसी तरह बनाया जाना चाहिए, और एक अच्छा सिग्नल जनरेटर हर नैनोसेकंड के आउटपुट सिग्नल को अपडेट कर सकता है। इसका मतलब यह है कि दालों (और प्रत्येक नाड़ी की लंबाई) के बीच के अंतराल को केवल एक नैनोसेकंड द्वारा बदला जा सकता है।

कल्पना करें कि आपको एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति और आयाम को मापने की आवश्यकता है। आप जानते हैं कि चुंबकीय क्षेत्र 5 मेगाहर्ट्ज के क्रम की आवृत्ति के साथ बदलता है (इसका मतलब है कि 100 एनएम में क्षेत्र पूरी तरह से सकारात्मक से पूरी तरह से नकारात्मक मूल्य पर चलता है)। लेकिन आपको इसकी सटीक आवृत्ति नहीं पता है। चुंबकीय क्षेत्र को खोजने के लिए, आप पूरे अंतराल को कवर करने के लिए दालों के अंतराल को बढ़ाते हैं। और कुछ भी न पाएं। क्यों? क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन की आवृत्ति आपके संभावित चरणों में सबसे छोटी के बीच होती है।

वही समस्या क्वबिट कंट्रोल के साथ होती है। कई क्वैबिट वाले डिवाइस में, प्रत्येक थोड़ा अलग होता है और माइक्रोवेव दालों के थोड़े अलग सेट के साथ नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है। और हमारे टूल का रिज़ॉल्यूशन इसे पर्याप्त रूप से अनुकूलित करने की अनुमति नहीं देता है।

इसके आसपास जाने के लिए, यह पता चलता है कि आपको इलेक्ट्रॉन के प्रति अधिक विनम्र होने की आवश्यकता है। एक बेसबॉल बैट का लगातार उपयोग करने के बजाय, हम धीरे से इलेक्ट्रॉन को धक्का देते हैं। एक सौम्य माइक्रोवेव पल्स में दालों के लौकिक रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाने का दिलचस्प प्रभाव है। नतीजतन, हमें एक उच्च आवृत्ति रिज़ॉल्यूशन (और क्वैब पर बेहतर नियंत्रण) मिलता है।

एक वर्ग के कोनों को गोल करना

चालू / बंद पल्स में, जनरेटर आयाम में केवल दो मान हैं। सुचारू रूप से बढ़ते और घटते नाड़ी में, आप प्रत्येक जनरेटर पल्स की केंद्रीय स्थिति को एक नैनोसेकंड से बहुत कम मूल्य द्वारा बदल सकते हैं। वास्तव में, प्रकृति प्रक्षेप के उपयोग से गति के केंद्र की गणना करती है, भले ही इसका जनरेटर केंद्रीय मूल्य का उत्पादन न करता हो।

नतीजतन, एक 14-बिट डिजिटल-से-एनालॉग कनवर्टर के साथ एक पल्स जनरेटर और 1 एनएस का एक समय रिज़ॉल्यूशन पल्स केंद्रों के बीच के समय को 1 पिकोसकॉन्ड द्वारा बदल सकता है। और यह एक हजार गुना सुधार है।

शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि सुपरकंडक्टिंग लूप्स पर लागू चुंबकीय क्षेत्रों की स्पेक्ट्रोस्कोपी करके यह काम करता है। फिर उन्होंने हीरे में एकल कार्बन परमाणु (भारी ¹³ सी आइसोटोप) की परमाणु चुंबकीय अनुनाद आवृत्ति को मापने के लिए एक ही तकनीक लागू की। दोनों मामलों में, वे अपने उपकरणों के साथ जितना संभव हो सके उतना अधिक संकल्प के साथ मूल्यों को मापने में सक्षम थे।

क्या प्रकृति अजीब नहीं है?

यह उपलब्धि बहुत ही आश्चर्यजनक है। वास्तव में, शोधकर्ताओं ने उन उपकरणों का हिस्सा लिया जो किसी भी प्रयोगशाला में पाए जा सकते हैं, और इसका उपयोग कुछ अलग तरीके से किया जा सकता है। परिणाम कुछ ऐसा है जो केवल भविष्य के पल्स जनरेटर के साथ किया जा सकता है।

लेकिन यद्यपि मुझे परिणाम मिलते हैं और तर्क को समझते हैं, फिर भी मुझे पूरी तरह से समझ में नहीं आता है कि यह कैसे काम करता है। जैसा कि हम करते हैं, प्रकृति नहीं करती है - कम से कम मुझे ऐसा नहीं लगता। एक इलेक्ट्रॉन या कोई चयनित क्वांटम वस्तु एक पल्स भेजता है जैसा कि यह है: असतत वोल्टेज का एक सेट निश्चित समय के लिए निश्चित चरणों में बढ़ता और घटता है। नियत बिंदुओं के बीच एक काल्पनिक रेखा को ट्रैक करके आवेग के केंद्र को जादुई रूप से नहीं समझा जा सकता है।

मुझे लगता है कि किसी चीज़ को "गति का क्षेत्र" कहा जाता है (गति का अभिन्न अंग, या, सचमुच, वक्र के नीचे का क्षेत्र) यहां एक भूमिका निभाता है। नाड़ी के केंद्र को उस समय के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिस दौरान अभिन्न आधा पहुंचता है। सुचारू रूप से भिन्न आयाम वाली एक नाड़ी के लिए, नाड़ी के आकार में छोटे बदलाव अलग-अलग हो सकते हैं, और आधे रास्ते के इस मूल्य को नियंत्रित तरीके से प्राप्त किया जा सकता है।

लेकिन मुझे यकीन नहीं है कि सब कुछ इस तरह से काम करता है। कुंजी क्षेत्र में निहित है, और, एक आयताकार आवेग के लिए, क्षेत्र अभी भी लगातार बदल सकता है, भले ही समय कदम काफी मोटा हो। आपको बस आयताकार नाड़ी के "चालू" मूल्य के आयाम को बदलने की आवश्यकता है।

लेकिन यह तकनीक कईयों के लिए उपयोगी होगी। क्वांटम कंप्यूटिंग का अध्ययन करने वाले लोगों को सुपरपोज़िशन की स्थिति को नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए, और इसके लिए तकनीक की आवश्यकता है। और अब उन्हें अधिक सटीकता के साथ क्वांटम राज्यों को नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि संग्रहीत क्वांटम जानकारी लंबे समय तक चलेगी और अधिक गणना की जा सकती है। इस अर्थ में, ऐसी तकनीक एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करती है।

और किसी दिन मैं यह भी समझ सकता हूं कि यह बेहतर काम करता है जितना मुझे लगता है कि यह करना चाहिए।