दौड़ में खोए हुए क्वांटम कंप्यूटर और उनकी घातक गलतियाँ

इंजीनियरिंग भौतिकी की तुलना में गति को तेजी से प्रभावित करती है

आईबीएम का 2017 से 16-क्वांटम क्वांटम कंप्यूटर

अक्टूबर 2019 में, Google ने क्वांटम श्रेष्ठता की उपलब्धि की घोषणा की - यह बड़ा नाम क्वांटम कंप्यूटरों के विकास में उस चरण को दिया गया, जहां यह साबित किया जा सकता है कि वे सक्षम हैं जो सामान्य लोगों के लिए सक्षम नहीं हैं। बयान अभी भी विवादास्पद है , इसलिए यह अभी भी पता चल सकता है कि हमें एक बेहतर प्रदर्शन की आवश्यकता है।

इस कथन के बावजूद, यह दिलचस्प है कि आईबीएम से Google और उसके आलोचकों दोनों ने अपने स्वयं के क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आधार को चुना। अपने छोटे प्रतियोगी की तरह, रिगेटी। यह सब बताता है कि क्वांटम कंप्यूटिंग के परिदृश्य में पिछले एक दशक में कम या ज्यादा स्थिरता आई है। अब हम ऐसी स्थिति में हैं जहां हम संभावित विजेताओं और कुछ हारे हुए लोगों को चुन सकते हैं।

आप हारे हुए क्यों हैं?

लेकिन विजेता क्यों हारते हैं और हारने वाले हार जाते हैं?

अंत में, यह इंजीनियरिंग के लिए नीचे आता है। एक व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, कई क्वांटम बिट्स (क्वैबिट्स) बनाना आवश्यक है। इन बटेरों को कई तार्किक परिचालनों के लिए क्वांटम अवस्था में रहना चाहिए। इन ऑपरेशनों को अंजाम देने के लिए, हमें व्यक्तिगत रूप से और समूहों में (कम से कम जोड़े में) दोनों ही तरह से जोड़तोड़ करने में सक्षम होना चाहिए। और, ज़ाहिर है, आपको गणना के परिणाम को पढ़ने की क्षमता की आवश्यकता है।

इन संभावनाओं में से कई को व्यक्तिगत रूप से एक तरल में रखी गई क्वाइब का उपयोग करते हुए, Rydberg परमाणुओं में , बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट्स (CBE) में, ठोस-राज्य प्रणालियों में, हीरे (NV केंद्र), सिलिकॉन दोषों, फंसे हुए आयनों में नाइट्रोजन-प्रतिस्थापित रिक्तियों में प्रदर्शित किया गया । प्रकाश में, और स्वाभाविक रूप से सुपरकंडक्टिंग रिंगों में। यह एक अधूरी सूची है, लेकिन सूचीबद्ध अधिकांश विशेषताएं मृत समाप्त होती हैं, और सम्मोहक कारणों से। यद्यपि एक qubit का व्यवहार भौतिकी के नियमों द्वारा अलग-अलग qubits के स्तर पर निर्धारित होता है, जैसे ही आप स्केलिंग के बारे में सोचते हैं, यह एक प्रणाली को डिजाइन करने के लिए एक बहुत ही महत्वपूर्ण मुद्दा बन जाता है, और यह पता चलता है कि इनमें से कई विकल्प बहुत स्केलेबल नहीं हैं।

दुर्घटना बुरा है

इस दशक के प्रारंभ में, NV केंद्र, सिलिकॉन रिक्तियों और ठोस-राज्य सामग्री दौड़ के पहले स्थानों में थे। ये सभी सामग्री समान सिद्धांतों के अनुसार काम करती हैं: क्रिस्टल में बहुत कम मात्रा में दूषित सामग्री पेश की जाती है। नाइट्रोजन को हीरे में पेश किया जाता है, फॉस्फोरस को सिलिकॉन में पेश किया जाता है, और ytterbium को yttrium-एल्यूमीनियम के गार्नेट क्रिस्टल में पेश किया जाता है।

प्रत्येक सामग्री में, भौतिकी के समान नियमों के अनुसार qubits का गठन किया जाता है। प्रदूषणकारी सामग्री पड़ोसी परमाणुओं की बाध्यकारी स्थितियों को संतुष्ट नहीं करती है, जिसके परिणामस्वरूप एक पृथक इलेक्ट्रॉन या एक सकारात्मक चार्ज न्यूक्लियस (आयन) रहता है। इन अलग-थलग वस्तुओं के राज्यों को क्वाइबेट्स के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, और ये राज्य बहुत लंबे समय तक अपरिवर्तित रह सकते हैं - अक्सर अपने अधिक सफल प्रतिद्वंद्वियों की तुलना में भी लंबे समय तक।

हालांकि, इन प्रौद्योगिकियों के मूलभूत नुकसान हैं। हीरे की NV केंद्रों में खामियों का एक अच्छा उदाहरण देखा जा सकता है। चार कार्बन परमाणुओं को बाँधने के लिए नाइट्रोजन की अक्षमता के कारण प्रत्येक qubit में एक "निलंबित" अवस्था में एक इलेक्ट्रॉन होता है। इलेक्ट्रान को ऑप्टिकल विधि द्वारा (पढ़ने और लिखने के लिए) एक्सेस किया जाता है। इसलिए, पहली समस्या क्रिस्टल में कई अलग-अलग रिक्तियों को ढूंढना है, जिन्हें अलग से संबोधित किया जा सकता है। प्रकाशीय संबोधन से तात्पर्य है कि ये रिक्तियाँ एक दूसरे से सीधे जोड़ी बनाने के लिए बहुत दूर हैं, इसलिए ऑप्टिकल और माइक्रोवेव फोटॉन के माध्यम से संचालन और उनके उलझने को दूर करना पड़ता है। दुर्भाग्य से, सभी विकिरणों के साथ माइक्रोवेव विकिरण मेट्स, सटीकता को कम करता है जिसके साथ उन्हें नियंत्रित किया जा सकता है।

इससे भी बदतर, सभी रिक्तियों अलग हैं। एक रिक्ति के क्वांटम गुण विशिष्ट स्थिति और उसके आसपास के परमाणुओं द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, हीरे में, दो सामान्य कार्बन समस्थानिक एक बड़ा अंतर प्रदान करते हैं, ताकि कार्बन -13 की उपस्थिति आस-पास की कक्षाओं के संचालन को प्रभावित करे। Qubits को समान बनाने के लिए, स्थानीय चुंबकीय क्षेत्रों को लागू करना आवश्यक है जो qubit राज्यों के ऊर्जा स्तरों को बदलते हैं। ऐसा करने के लिए, अपेक्षाकृत उच्च धाराओं को पास से गुजरने वाले तारों के माध्यम से पारित किया जाना चाहिए, साथ ही साथ इन प्रभावों को अलग करना चाहिए ताकि वे अन्य क्वैब को प्रभावित न करें।

वास्तव में, हीरे की चिप्स वाले सभी कंप्यूटर अलग-अलग होंगे, उनके पास अलग-अलग गुणों के साथ अलग-अलग क्वैब की व्यवस्था होगी। यह सुनिश्चित करने के लिए वायरिंग कि स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र अलग-अलग बने हुए हैं, ताकि व्यक्तिगत रूप से प्रभावित होने वाले व्यक्ति को जटिल लगता है। और फिर आपको बाहरी दुनिया के साथ सभी qubits को जोड़ने के लिए लेंस के छोटे सरणियों (हीरे की सतह पर सीधे स्थित) को डालने की आवश्यकता है। मेरे मस्तिष्क का एक छोटा, उदास हिस्सा जो इंजीनियरिंग को समझता है, उसके बारे में सोचा जाने पर चुपचाप चिल्लाता है।

रिक्तियों पर आधारित लगभग सभी qubit सिस्टम में समान समस्याएं हैं, इसलिए हम आज उनके बारे में कम सुन रहे हैं।

सॉलिड-स्टेट सिस्टम याद रखने लायक

क्रिस्टल में आयनों के मामले में, जैसे कि येट्रियम-एल्युमिनियम गार्नेट के एक क्रिस्टल में यटरबियम, सब कुछ थोड़ा अलग होता है। यहाँ पर क्वांटम अवस्था को आमतौर पर एक एकल य्टेरबियम आयन में संग्रहीत नहीं किया जाता है। इसके बजाय, राज्य को आयन आबादी पर वितरित किया जाता है, जो सिस्टम को अविश्वसनीय रूप से मजबूत बनाता है - ये कुछ सबसे लंबे समय तक रहने वाले क्वांटम राज्य हैं। हालांकि, इससे क्वैबिट का स्थान निर्धारित करना मुश्किल हो जाता है। आखिरकार, प्रकाशिकी द्वारा स्थिति का निर्धारण किया जाता है जो क्वांटम राज्यों को रिकॉर्ड करने और पढ़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रकाश पर ध्यान केंद्रित करता है।

वास्तव में, क्रिस्टल के शरीर में कई आयनों के साथ बातचीत करते हुए प्रकाश दालों द्वारा qubits की स्थिति निर्धारित की जाती है। पर्याप्त रूप से बड़ी संख्या में क्वैब के साथ काम करने के लिए, एक बहुत ही जटिल ऑप्टिकल सिस्टम की आवश्यकता होती है। और यह भी ध्यान में रखे बिना है कि जरूरत पड़ने पर क्वैबल्स को उलझाने और तार्किक संचालन करने में सक्षम हो। फिर, सर्किट एक पूर्ण विकसित क्वांटम कंप्यूटर के निर्माण में योगदान नहीं करता है। दूसरी ओर, ये क्रिस्टल क्वांटम मेमोरी कोशिकाओं की भूमिका के लिए पूरी तरह से अनुकूल हैं, और अभी भी इन सीमित फ़्रेमों में आवेदन पा सकते हैं।

उदासीनता = उदासीनता

व्यावहारिक दृष्टिकोण से और भी आगे बढ़ते हुए, हम अधिक विदेशी विकल्पों में आते हैं - Rydberg atoms (RA) और CBE।

आरएएस एक परमाणु में सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन को अत्यधिक उच्च ऊर्जा वाले राज्य में स्थानांतरित करके बनाया जाता है। इस अवस्था में, इलेक्ट्रॉनों की परिक्रमा ग्रहों की कक्षाओं की तरह होती है और वे किसी तारे की परिक्रमा करते हैं। क्वेट अलग-अलग Rydberg राज्यों के बीच संक्रमण के आधार पर काम करता है। राज्यों को ऑप्टिकल दालों और फोटॉनों के उत्सर्जन का उपयोग करके सेट और पढ़ा जा सकता है। शीत आरएएस को एक स्थान पर पकड़कर वैकल्पिक रूप से पकड़ा जा सकता है, इसलिए उन्हें एक ऑप्टिकल प्रणाली का उपयोग करके एक्सेस किया जा सकता है।

दुर्भाग्य से, उनकी बहुत ही प्रकृति उन्हें सीधे एक-दूसरे के साथ बातचीत करने की अनुमति नहीं देती है, इसलिए फोटॉन के आदान-प्रदान के माध्यम से बटेर के साथ संचालन करने की आवश्यकता होती है। और यह, जैसे कि क्रिस्टल में आयनों के मामले में, अत्यधिक ऑप्टिकल प्रणाली और गणना प्रक्रिया को जटिल करता है ताकि इस प्रणाली को एक सफल में बदल दिया जा सके। और इस तरह के क्वैबिट्स बनाना काफी मुश्किल होता है। एक ही प्रारंभिक अवस्था में आरए की एक बड़ी संख्या लाना एक तुच्छ कार्य नहीं है।

CBE एक अद्भुत क्वांटम राज्य प्रदान करता है, जिसे बहुत उच्च सटीकता के साथ, साथ ही साथ बनाए रखा जा सकता है। और इसे बनाना अपेक्षाकृत आसान है। लेकिन, आरए की तरह, यह क्वांटम राज्य पड़ोसी CBEs की क्वांटम स्थिति को सीधे प्रभावित नहीं करता है, जिससे उनके लिए तार्किक सर्किट का निर्माण करना बहुत मुश्किल हो जाता है।

यह आसानी से पहचाने जाने योग्य विजेता गुणवत्ता है।

इसकी तुलना क्वांटम कंप्यूटर पर आयन ट्रैप और सुपरकंडक्टिंग क्यूसी से करें। आयन ट्रैप के मामले में, क्वांटम राज्य व्यक्तिगत फंसे हुए आयनों पर संग्रहीत होता है, और उनसे पढ़ा जाता है। जाल में आंदोलन के साथ-साथ प्रकाश और माइक्रोवेव के उत्सर्जन और अवशोषण के माध्यम से क्वैब सीधे एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं। यह ऑप्टिकल सिस्टम अभी भी जटिल बना हुआ है, लेकिन जाल में माइक्रोवेव और आंदोलनों के उपयोग के लिए धन्यवाद सरल है, जो कुछ संचालन करने के लिए जिम्मेदार हैं। यह प्रणाली को व्यावहारिक बनाने के लिए पर्याप्त है।

सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट बने हैं। उनके क्वांटम गुण संभवतः सभी प्रतिद्वंद्वियों में सबसे खराब हैं। हालांकि, यह तथ्य कि वे उत्पादित हैं, उन्हें सख्ती से नियंत्रित करने की अनुमति देता है। लॉजिकल ऑपरेशन, क्लेबिट स्टेट्स का असाइनमेंट और रीडिंग, स्टोरेज - यह सब डिज़ाइन किया जा सकता है ताकि कंप्यूटर यथासंभव लंबे समय तक चले। यह नियंत्रण की भावना थी जिसने इंजीनियरों को विश्वास दिलाया, इसलिए उन्होंने संख्या की संख्या को मापना शुरू कर दिया।

फोटोग्राफिक क्वैट्स तीन नेताओं में सबसे अधिक विदेशी हैं। वे अभी भी खड़े नहीं हैं, इसलिए, उनके साथ संचालन करने के लिए, समय में बहुत सटीक समन्वय की आवश्यकता होती है, क्योंकि दो या दो से अधिक मात्राओं को समय और अंतरिक्ष में एक-दूसरे को ओवरलैप करना होगा। यह आवश्यकता फोटोनिक योजनाओं के डिजाइन को जटिल बनाती है। लेकिन एक विशेष कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करना संभव है।

समस्या फोटॉन सर्किट को प्रोग्राम करने योग्य है। यह मुश्किल है, लेकिन इतना नहीं है कि इंजीनियर डर में चिल्लाया और भाग गया। इस अर्थ में, फोटोनिक क्वैबिट में अभी भी नेताओं को बने रहने का मौका है।

मुख्य बात लागत है

क्या हमारे पास सभी पर राज करने वाली एकमात्र तकनीक होगी? मुझे लगता है कि, सिद्धांत रूप में, हाँ, एक तकनीक हावी होगी। मुझे लगता है कि फोटॉन क्वांटम कंप्यूटर जीतेंगे, हालांकि अभी तक, सुपरकंडक्टिंग क्विबिट्स सभी को चला रहे हैं। वास्तव में, यह सब लागत पर आता है: आयन ट्रैप या फोटॉन सर्किट का उपयोग करने वाले कंप्यूटरों की तुलना में सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट पर बोर्ड उत्पादन करने के लिए बहुत सस्ता हैं। हालांकि, फोटोनिक सर्किट एकीकृत परिपथों के समान हैं, जिसमें लागत बढ़ते पैमाने के साथ घटती जाती है। इसलिए, बड़ी मात्रा में, कीमत में अंतर छोटा होगा।

और फिर उनके काम की लागत है। आयन ट्रैप पर कंप्यूटरों को महंगे पंपों के साथ वैक्यूम सिस्टम की आवश्यकता होती है, और सुपरकंडक्टिंग क्विट तरल हीलियम के तापमान से नीचे के तापमान पर काम करते हैं। हीलियम महंगा है, और कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटर भी महंगे हैं। फ़ोटोनिक योजनाओं में ऐसा कोई खर्च नहीं है।

हां, अन्य प्रतिद्वंद्वियों को पकड़ने वाली फोटॉन योजनाओं को डिजाइन करने में कठिनाइयां होती हैं, लेकिन जब हम उन्हें दूर कर लेते हैं, तो लागत फोटोनिक्स के हाथों में चली जाएगी। मैं भविष्यवादी होने के जोखिम में हूँ (मुझे माफ करना, यह विचार अब बुरा लगेगा), क्यूसी की पहली दो या तीन पीढ़ियों में सुपरकंडक्टिंग क्वैब और आयन कंप्यूटर का मिश्रण होगा, और फिर फोटोनिक कंडक्टर क्यूसी उनके साथ पकड़ लेगा। चौथी पीढ़ी तक, किसी को पता नहीं चलेगा कि ट्रांसमन क्वॉइन क्या है ।

तो मैं एक अद्भुत क्वांटम प्रकाश कंप्यूटर तक पहुँच देने के लिए स्टेपर्स का आभारी हूँ।