क्वांटम सिम्युलेटर उच्च प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सामग्रियों को उजागर करने में मदद कर सकता है

सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर पर चुंबकीय क्षेत्र का अनुकरण करके, शोधकर्ता सामग्रियों के जटिल गुणों की जांच कर सकते हैं।

क्वांटम कंप्यूटर जटिल सामग्रियों का अनुकरण करने का वादा करते हैं, जिससे शोधकर्ताओं को परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों के संपर्क से उत्पन्न होने वाले भौतिक गुणों को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिलती है। इससे एक दिन बेहतर सेमीकंडक्टर्स, इंसुलेटर या सुपरकंडक्टर्स की खोज या डिज़ाइन को बढ़ावा मिल सकता है जिनका उपयोग अधिक तेज़, अधिक शक्तिशाली और अधिक ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए किया जा सकता है।

लेकिन सामग्रियों में होने वाली कुछ घटनाएं क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके नकल करना चुनौतीपूर्ण हो सकती हैं, जिससे वैज्ञानिकों ने क्वांटम हार्डवेयर के साथ जिन समस्याओं का पता लगाया है उनमें अंतराल रह जाता है।

इनमें से एक अंतराल को भरने के लिए, एमआईटी शोधकर्ताओं ने सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर पर सिंथेटिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए एक तकनीक विकसित की। टीम ने 16 क्यूबिट वाले प्रोसेसर पर तकनीक का प्रदर्शन किया।

गतिशील रूप से यह नियंत्रित करके कि उनके प्रोसेसर में 16 क्यूबिट एक-दूसरे से कैसे जुड़े हैं, शोधकर्ता यह अनुकरण करने में सक्षम थे कि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की उपस्थिति में इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के बीच कैसे चलते हैं। इसके अलावा, सिंथेटिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र व्यापक रूप से समायोज्य है, जो वैज्ञानिकों को भौतिक गुणों की एक श्रृंखला का पता लगाने में सक्षम बनाता है।

सामग्रियों के गुणों का पूरी तरह से पता लगाने के लिए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का अनुकरण करना महत्वपूर्ण है। भविष्य में, यह तकनीक इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की प्रमुख विशेषताओं, जैसे चालकता, ध्रुवीकरण और चुंबकीयकरण पर प्रकाश डाल सकती है।

एमआईटी पोस्टडॉक और एक पेपर के मुख्य लेखक इलान रोसेन कहते हैं, “क्वांटम कंप्यूटर सामग्री और अन्य क्वांटम यांत्रिक प्रणालियों के भौतिकी का अध्ययन करने के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं। हमारा काम हमें समृद्ध भौतिकी का अनुकरण करने में सक्षम बनाता है जिसने सामग्री वैज्ञानिकों को मोहित कर दिया है।” क्वांटम सिम्युलेटर पर.

वरिष्ठ लेखक विलियम डी. ओलिवर, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान और भौतिकी के हेनरी एलिस वॉरेन प्रोफेसर, क्वांटम इंजीनियरिंग केंद्र के निदेशक, इंजीनियरिंग क्वांटम सिस्टम समूह के नेता और इलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान प्रयोगशाला के सहयोगी निदेशक हैं। ओलिवर और रोसेन के साथ इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान तथा भौतिकी विभाग और एमआईटी लिंकन प्रयोगशाला के अन्य लोग भी शामिल हैं। शोध आज सामने आया है प्रकृति भौतिकी .

एक क्वांटम एमुलेटर

आईबीएम और गूगल जैसी कंपनियां बड़े पैमाने पर डिजिटल क्वांटम कंप्यूटर बनाने का प्रयास कर रही हैं जो कुछ एल्गोरिदम को अधिक तेज़ी से चलाकर अपने शास्त्रीय समकक्षों से बेहतर प्रदर्शन करने का वादा करते हैं।

लेकिन क्वांटम कंप्यूटर इतना ही नहीं कर सकते। ठोस पदार्थों में परमाणुओं के बीच घूमते समय इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की नकल करने के लिए क्वैबिट और उनके युग्मन की गतिशीलता का भी सावधानीपूर्वक निर्माण किया जा सकता है।

एमआईटी के एक शोध वैज्ञानिक और पेपर के सह-लेखक जेफरी ग्रोवर कहते हैं, “इससे एक स्पष्ट अनुप्रयोग होता है, जो इन सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों को सामग्रियों के अनुकरणकर्ताओं के रूप में उपयोग करना है।”

अत्यंत जटिल समस्याओं को हल करने के लिए बड़े पैमाने पर डिजिटल क्वांटम कंप्यूटर बनाने की कोशिश करने के बजाय, शोधकर्ता नियंत्रित वातावरण में एक सामग्री प्रणाली को दोहराने के लिए एनालॉग डिवाइस के रूप में छोटे पैमाने के क्वांटम कंप्यूटर में क्यूबिट का उपयोग कर सकते हैं।

“सामान्य प्रयोजन के डिजिटल क्वांटम सिमुलेटर जबरदस्त संभावनाएं रखते हैं, लेकिन वे अभी भी बहुत दूर हैं। एनालॉग अनुकरण एक और दृष्टिकोण है जो निकट अवधि में उपयोगी परिणाम दे सकता है, विशेष रूप से अध्ययन सामग्री के लिए। यह क्वांटम का एक सीधा और शक्तिशाली अनुप्रयोग है हार्डवेयर,'' रोसेन बताते हैं। “एक एनालॉग क्वांटम एमुलेटर का उपयोग करके, मैं जानबूझकर एक प्रारंभिक बिंदु निर्धारित कर सकता हूं और फिर देख सकता हूं कि समय के एक फ़ंक्शन के रूप में क्या सामने आता है।”

सामग्रियों के साथ उनकी घनिष्ठ समानता के बावजूद, सामग्रियों में कुछ महत्वपूर्ण तत्व हैं जिन्हें क्वांटम कंप्यूटिंग हार्डवेयर पर आसानी से प्रतिबिंबित नहीं किया जा सकता है। ऐसा ही एक घटक चुंबकीय क्षेत्र है।

सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉन परमाणु कक्षाओं में “जीवित” रहते हैं। जब दो परमाणु एक-दूसरे के करीब होते हैं, तो उनकी कक्षाएँ ओवरलैप हो जाती हैं और इलेक्ट्रॉन एक परमाणु से दूसरे परमाणु पर “छलाँग” लगा सकते हैं। चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, उछलने का व्यवहार अधिक जटिल हो जाता है।

एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर पर, क्वैबिट के बीच घूमने वाले माइक्रोवेव फोटॉन का उपयोग परमाणुओं के बीच घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों की नकल करने के लिए किया जाता है। लेकिन, क्योंकि फोटॉन इलेक्ट्रॉनों की तरह आवेशित कण नहीं होते हैं, भौतिक चुंबकीय क्षेत्र में फोटॉनों का उछलने-कूदने का व्यवहार समान रहेगा।

चूंकि वे अपने सिम्युलेटर में चुंबकीय क्षेत्र को चालू नहीं कर सकते, इसलिए एमआईटी टीम ने इसके प्रभावों को संश्लेषित करने के लिए कुछ तरकीबें अपनाईं।

प्रोसेसर को ट्यून करना

शोधकर्ताओं ने समायोजित किया कि कैसे प्रोसेसर में आसन्न क्वैबिट को एक-दूसरे से जोड़ा गया ताकि वही जटिल हॉपिंग व्यवहार बनाया जा सके जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों में पैदा करते हैं।

ऐसा करने के लिए, उन्होंने अलग-अलग माइक्रोवेव सिग्नल लागू करके प्रत्येक क्वबिट की ऊर्जा को थोड़ा बदल दिया। आमतौर पर, शोधकर्ता क्वैबिट को एक ही ऊर्जा पर सेट करेंगे ताकि फोटॉन एक से दूसरे में जा सकें। लेकिन इस तकनीक के लिए, वे एक-दूसरे के साथ संवाद करने के तरीके को बदलने के लिए प्रत्येक कक्षा की ऊर्जा को गतिशील रूप से बदलते हैं।

इन ऊर्जा स्तरों को सटीक रूप से संशोधित करके, शोधकर्ताओं ने फोटॉन को क्वैबिट के बीच उसी जटिल तरीके से कूदने में सक्षम बनाया जैसे इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र में परमाणुओं के बीच कूदते हैं।

साथ ही, क्योंकि वे माइक्रोवेव सिग्नलों को सूक्ष्मता से ट्यून कर सकते हैं, वे विभिन्न शक्तियों और वितरणों के साथ विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों की एक श्रृंखला का अनुकरण कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह निर्धारित करने के लिए कई दौर के प्रयोग किए कि प्रत्येक क्यूबिट के लिए कौन सी ऊर्जा निर्धारित की जाए, उन्हें कितनी दृढ़ता से मॉड्यूलेट किया जाए और माइक्रोवेव आवृत्ति का उपयोग किया जाए।

रोसेन कहते हैं, “सबसे चुनौतीपूर्ण हिस्सा प्रत्येक क्वबिट के लिए मॉड्यूलेशन सेटिंग्स ढूंढना था ताकि सभी 16 क्वबिट एक ही बार में काम करें।”

एक बार जब वे सही सेटिंग्स पर पहुंच गए, तो उन्होंने पुष्टि की कि फोटॉन की गतिशीलता कई समीकरणों को कायम रखती है जो विद्युत चुंबकत्व की नींव बनाते हैं। उन्होंने “हॉल प्रभाव” का भी प्रदर्शन किया, जो एक चालन घटना है जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की उपस्थिति में मौजूद होती है।

इन परिणामों से पता चलता है कि उनका सिंथेटिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र वास्तविक चीज़ की तरह व्यवहार करता है।

आगे बढ़ते हुए, वे इस तकनीक का उपयोग संघनित पदार्थ भौतिकी में जटिल घटनाओं का सटीक अध्ययन करने के लिए कर सकते हैं, जैसे कि चरण संक्रमण जो तब होता है जब कोई सामग्री एक कंडक्टर से एक इन्सुलेटर में बदलती है।

“हमारे एमुलेटर की एक अच्छी विशेषता यह है कि हमें एक अलग सामग्री प्रणाली की नकल करने के लिए केवल मॉड्यूलेशन आयाम या आवृत्ति को बदलने की आवश्यकता है। इस तरह, हम हर बार भौतिक रूप से एक नया उपकरण बनाने के बिना कई सामग्रियों के गुणों या मॉडल मापदंडों को स्कैन कर सकते हैं। ” ओलिवर कहते हैं.

रोसेन कहते हैं, हालांकि यह काम एक सिंथेटिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का प्रारंभिक प्रदर्शन था, यह कई संभावित खोजों के द्वार खोलता है।

उन्होंने आगे कहा, “क्वांटम कंप्यूटर की खूबसूरती यह है कि हम देख सकते हैं कि प्रत्येक क्यूबिट पर समय के हर पल में क्या हो रहा है, इसलिए हमारे पास यह सारी जानकारी है। हम भविष्य के लिए एक बहुत ही रोमांचक जगह पर हैं।”