एक क्वांटम कंप्यूटर अभी भी बाहर नहीं आया है, लेकिन इसने कई अन्य दिलचस्प चीजों को बदल दिया

मिखाइल लुकिन हमारे हमवतन और क्वांटम भौतिकी के विशेषज्ञ हैं। पिछले महीने, 20 वर्षों में पहली बार, उन्होंने रूसी में एक रिपोर्ट पढ़ी, जिसमें डिजिटल अक्टूबर को अपने काम के सार के बारे में बताया।



मिखाइल क्वांटम कंप्यूटरों में लगा हुआ है : जबकि, वास्तव में, कंप्यूटर काम नहीं करता है, लेकिन यह कई अन्य दिलचस्प व्यावहारिक अनुप्रयोगों को दिखाता है, जिसमें उच्च-सटीक सेंसर और अल्ट्रा-सटीक घड़ियां शामिल हैं।

क्वांटम भौतिकी में अब क्या चल रहा है?

विज्ञान की इस दिशा में क्या हो रहा है, इसका सार समझाने के लिए, यह लेजर के इतिहास को याद करने लायक है। प्रारंभ में, लेजर का आविष्कार एक प्रकार के वैज्ञानिक खिलौने के रूप में किया गया था: अद्भुत, लेकिन बिल्कुल इसका कोई व्यावहारिक उपयोग नहीं था। अपने आविष्कार के बाद लगातार दस वर्षों तक, वैज्ञानिकों ने मजाक में कहा कि यह एक ऐसा उत्तर है जो अपने कार्य की तलाश कर रहा है। बाद में क्या हुआ - आप जानते हैं: कार्यों का एक पूरा समुद्र पाया गया था, और फाइबर-ऑप्टिक सिस्टम पर सबसे बड़ा डेटा ट्रांसमिशन था, जो संक्षेप में, इंटरनेट के भौतिक सार का गठन करता है।

फिलहाल, क्वांटम भौतिकविदों के पास कई ऐसे "खिलौने" हैं, जिनमें से प्रत्येक मौलिक विज्ञान के दृष्टिकोण से काफी दिलचस्प बात है, लेकिन अभी तक इसका कोई व्यावहारिक अनुप्रयोग नहीं है। यहाँ एक उदाहरण है: अब एक बिट को एनकोड करने में लगभग 1000-2000 परमाणु लगते हैं। मूर के नियम के अनुसार, 10 वर्षों में केवल एक ही परमाणु को सूचना की एक ही राशि को एनकोड करना होगा। शास्त्रीय प्रकृति को दरकिनार कर दिया जाएगा और क्वांटम भौतिकविदों पर कब्जा कर लिया जाएगा, जो पहले से ही संभव निवेश और संभावित संभावनाओं का आकलन कर रहे हैं।

क्या एक एकल परमाणु स्टोर की जानकारी ले सकता है? सिद्धांत रूप में, हाँ। कोर और इलेक्ट्रॉन अलग-अलग हिस्से प्रतीत होते हैं, सिद्धांत रूप में सब कुछ, हार्ड डिस्क पर डेटा संग्रहीत करने के पुराने सिद्धांतों की तरह दिखता है, लेकिन यह सिर्फ एक स्तर कम है ... लेकिन क्वांटम दुनिया में सामान्य प्रक्रियाओं का हस्तांतरण काम नहीं करता है। वास्तव में, हम मूलभूत सीमा के विरुद्ध आराम करते हैं।

जादू शब्द "असंभव"

यदि शास्त्रीय तरीके से डेटा संग्रहीत करना काम नहीं करता है, तो हमें नए यांत्रिकी की आवश्यकता है। यह वे हैं जो माइकल और उनके सहयोगियों के एक समूह में शामिल हैं। यह समझते हुए कि हमें नई डेटा प्रोसेसिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता है, नए दृष्टिकोण खोलते हैं:

इलेक्ट्रॉनों और नाभिक में एक छोटा चुंबकीय क्षण होता है - स्पिन। कोई कल्पना कर सकता है कि एक इलेक्ट्रॉन या एक नाभिक अपनी धुरी के चारों ओर घूमता है और इस घूर्णन के कारण इसमें एक निश्चित ध्रुवता दिखाई देती है, इसमें एक चुंबकीय क्षण दिखाई देता है। इस चुंबकीय क्षण को एक प्रकार की चुंबकीय स्मृति माना जा सकता है। इस मामले में, एकता को एक चुंबक में एन्कोड किया जा सकता है, जो ऊपर दिखाई देगा, और शून्य, एक चुंबक में, जो नीचे दिखेगा। खैर, यह सबसे सरल संपत्ति हमें जानकारी का एक क्लासिक बिट सांकेतिक शब्दों में बदलना करने की अनुमति देती है। यह पता चला है कि यह कणों की एक चुंबकीय संपत्ति है, यह है, जैसा कि यह था, एक क्वांटम वस्तु। क्वांटम कानून ऐसे छोटे आकारों पर कणों के व्यवहार का वर्णन करते हैं। यह पता चला है कि हम केवल शून्य और एक नहीं लिख सकते हैं, हम यह भी लिख सकते हैं कि बीच में क्या है, हम 0 और 1. के तथाकथित सुपरपोजिशन (संयोजन) लिख सकते हैं। यह एक चुंबक के रूप में कल्पना की जा सकती है जो ऊपर की ओर नहीं घुमाया जाएगा। या नीचे, लेकिन एक चुंबक की तरह जो कहीं ओर मुड़ जाता है। यह क्वांटम प्रणालियों की एक बहुत ही महत्वपूर्ण संपत्ति है, जो आपको न केवल एक क्लासिक बिट को एन्कोड करने की अनुमति देती है, बल्कि तथाकथित क्वांटम बिट की जानकारी भी।

यदि हम क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को लागू करते हैं, उदाहरण के लिए, इस तालिका को, तो, सिद्धांत रूप में, इन कानूनों के अनुसार, इस तालिका की स्थिति बनाना संभव है, ताकि यह मेरी जगह पर कैम्ब्रिज और डिजिटल अक्टूबर में मॉस्को में हो।

सरलीकरण, एक एकल क्वांटम ऑब्जेक्ट (श्रोडिंगर बिल्ली की तरह) एक समय में दो अलग-अलग डेटा सेट दे सकता है। यह न केवल एक नए प्रकार के ड्राइव के निर्माण के अवसरों को खोलता है, बल्कि एक नए प्रकार के प्रोसेसर बनाने के लिए क्वांटम ऑब्जेक्ट्स के उपयोग की भी अनुमति देता है। एक बार में कई संभावित राज्यों को एक साथ सांकेतिक शब्दों में बदलना संभव है, जो बहुत अधिक डिग्री के समानांतर प्रसंस्करण के साथ प्रसंस्करण की जानकारी देता है। यह क्वांटम त्वरण का विचार है, जो क्वांटम कंप्यूटर के विकास में मुख्य विचार है।

क्वांटम कंप्यूटरों के साथ इस समय मुख्य समस्या यह है कि ये कोशिकाएं केवल बाहरी उत्तेजनाओं के प्रति संवेदनशील हैं। तदनुसार, जबकि वैज्ञानिकों का एक समूह किसी तरह से माइक्रोवायर्ड को स्थिर करने की कोशिश कर रहा है, दूसरा समूह इन गुणों का उपयोग करता है और एक नई पीढ़ी के सेंसर को संवेदनशीलता में श्रेष्ठ बनाता है जो कि सैकड़ों और हजारों परमाणुओं के पैमाने पर दुनिया में संभव था।

और इस सबका क्या करना है?

अब सबसे महत्वपूर्ण बात: आप जानकारी को कैसे रिकॉर्ड कर सकते हैं, पढ़ सकते हैं, व्यक्तिगत परमाणुओं में संग्रहीत जानकारी को कैसे संसाधित कर सकते हैं? यह लेजर तकनीक और अनुनाद विधियों (जो अस्पतालों में मस्तिष्क की परीक्षा में उपयोग किया जाता है) के प्रतिच्छेदन का उपयोग करता है। इस क्षेत्र में पहला अध्ययन यूएसएसआर में वापस शुरू हुआ, विशेष रूप से, व्लादीन लेटोखोव द्वारा, जिनके विचार विज्ञान के विकास को अब तक निर्धारित करते हैं। विशेष रूप से, वह लेजर कूलिंग के आविष्कारक थे: वे परमाणुओं को स्थानांतरित करने, पता लगाने और शांत करने के लिए लेजर का उपयोग करने के तरीके के साथ आए थे। अब सिस्टम जिसमें व्यक्तिगत आयनों को विद्युत चुम्बकीय जाल में एक वैक्यूम ट्यूब में संग्रहीत किया जाता है, क्वांटम कंप्यूटरों को लागू करने के लिए सबसे अधिक संभावना वाले प्लेटफार्मों में से एक है।


व्लादीन लेटोखोव

पहले से ही आधुनिक मानकों क्वांटम कंप्यूटरों (प्रोटोटाइप) द्वारा अपेक्षाकृत बड़े हैं, जिनमें 4 qubits हैं और विभिन्न प्रकार की गणना कर सकते हैं। यह पहले से ही स्पष्ट है कि इन अध्ययनों के आधार पर, हम सेंसर के क्षेत्र में एक क्रांति, नियंत्रित क्वांटम सामग्री के उद्भव, अल्ट्राफास्ट डेटा ट्रांसफर और नई पीढ़ी के क्रिप्टोकरंसी के बारे में बात कर सकते हैं। क्या वास्तविकता में क्वांटम कंप्यूटर को इकट्ठा करना संभव होगा? अभी तक, वैज्ञानिकों को इस प्रश्न का उत्तर नहीं पता है, लेकिन लगभग 15 वर्षों से प्रयास चल रहे हैं - और यदि यह काम नहीं करता है, तो अन्य कार्यों के उत्तर सुनिश्चित हैं।

उदाहरण के लिए, क्वांटम सेंसर और परमाणु घड़ियां ऐसे विषय हैं जो पहले से ही एक विशाल लागू पूर्वाग्रह के साथ विकसित किए जा रहे हैं। उदाहरण के लिए, परमाणु घड़ियाँ जीपीएस और ग्लोनास नेटवर्क दोनों में एक महत्वपूर्ण कड़ी हैं। सबसे सटीक परमाणु घड़ियों क्वांटम बिट्स का उपयोग करते हैं जो कि ठंडा आयनों में एन्कोडेड होते हैं - वास्तव में जो अभी क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। यह परिमाण के एक क्रम से सटीकता में सुधार करने के लायक है - और आप सही तरीके से नेविगेट करने में सक्षम होंगे, उदाहरण के लिए, ड्राइवरों के बिना वाहन। यह एक छोटी वैज्ञानिक उपलब्धि के वैश्विक परिणामों का एक उदाहरण है। ऐसे सैकड़ों उदाहरण हैं।

क्या समस्याएं हैं?

अभी उनमें से दो हैं। पहला कंप्यूटर का एक्साइजवाद है। प्रोटोटाइप से अधिक या कम व्यावहारिक रूप से व्यवहार्य योजना के लिए सिस्टम के आकार में वृद्धि के साथ, सब कुछ अधिक जटिल हो जाता है: उदाहरण के लिए, वैक्यूम ट्यूबों के साथ एक साथ अलगाव और नियंत्रण की समस्या है, जिसे हल करने की आवश्यकता है। दूसरी समस्या यह है कि क्वांटम कंप्यूटरों के साथ क्या करना है, यह सवाल है: विकास का वर्तमान स्तर बहुत गंभीर अस्थिरता का अर्थ है, जो प्रयोगशाला के बाहर किसी भी व्यावहारिक उपयोग को समाप्त करता है। शुरुआत में लेजर की तरह, यह अभी भी सिर्फ एक खिलौना है जो कुछ गंभीर होने का वादा करता है।

समस्या का हिस्सा हल किया जा रहा है। अपनी टीम के साथ मिखाइल ल्यूकिन एक क्वांटम बिट बनाने में सक्षम था जो एक अलग नाभिक के स्पिन का उपयोग करता है और कमरे के तापमान पर काम करता है। इस मामले में, राज्य एक मैक्रोस्कोपिक रूप से लंबे समय तक (1 सेकंड से अधिक) तक रहता है - क्वांटम भौतिकी के मानकों के अनुसार, यह सौ साल की तरह है। इस काम का मुख्य विचार व्यक्तिगत परमाणुओं का उपयोग करना है जो हीरे के नमूनों में प्रत्यारोपित किए जाते हैं।

हीरा क्यों?

सबसे पहले, यह ठोस है। दूसरे, एक बड़े बैंड अंतराल के साथ एक अद्वितीय अर्धचालक। हीरा एक बहुत अच्छा हीट कंडक्टर भी है। प्रयोगों में दो अलग-अलग प्रकार के हीरे का उपयोग किया जाता है: मैक्रोस्कोपिक आकार का एक बड़ा क्यूब (ऐसी कई वस्तुएं हीरे की धूल हैं)। वे बहुत साफ हैं, वस्तुतः कोई अशुद्धियाँ नहीं हैं। यदि एक अशुद्धता को जोड़ा जाता है, तो अनिवार्य रूप से इसकी तुलना एक पृथक परमाणु से की जा सकती है, जैसे निर्वात ट्यूब में एकल आयन। यहाँ अंतर यह है कि परमाणु को कमरे के तापमान पर भी ठोस अवस्था में रखा जाता है। एक नाइट्रोजन परमाणु का उपयोग किया जाता है जो मैट्रिक्स के केंद्र में कार्बन परमाणु को प्रतिस्थापित करता है। यह पता चला है कि खाली जगह होना ऊर्जावान रूप से फायदेमंद है: यह हीरे की कुछ अशुद्धियों में से एक है और इसमें आयन के समान गुण होते हैं।

क्यों? क्योंकि यह प्रवेश प्रकाश का उत्सर्जन करता है। यहां जो दिखाया गया है वह एक शुद्ध हीरा है जिसमें व्यक्तिगत परमाणु चमकते हैं। उसके पास यह स्पिन भी है। एक चुंबकीय क्षण है, जिसके बारे में मैंने पहले बात की थी, जिस पर चुंबकीय क्वांटम जानकारी को एन्कोड किया जा सकता है। इन अशुद्धियों को शुद्ध हीरे से शुरू करके नाइट्रोजन आयनों के साथ बम से बनाया जा सकता है। यह एक उदाहरण है जहां कुछ छंटाई की जाती है और इस नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र में बनाया गया नमूना।

हीरा नैनोक्रिस्टल

यही है, एक परमाणु qubit बनाने के लिए, कार्बन आइसोटोप के एक कोर का उपयोग किया जाता है। हीरे की जाली में परमाणु संख्या 12 और 13 के साथ 2 कार्बन समस्थानिक होते हैं। उनमें से केवल एक में एक चुंबकीय क्षण होता है, उनमें से केवल एक में एक स्पिन होता है, और इसे एक qubit के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।



एक नमूना उगाया जाता है, जिसमें 12 के परमाणु भार के साथ व्यावहारिक रूप से एक आइसोटोप होता है, और उसके बाद व्यक्तिगत परमाणु चुंबकीय क्षणों को मापने के लिए इसका उपयोग किया जाता है। लेजर इसे अपने एक केंद्र पर केंद्रित करता है, फिर उत्सर्जित प्रकाश की मात्रा को पड़ोसी नाभिक को मापने के लिए मापा जाता है। प्रकाश की मात्रा 2 विभिन्न स्तरों के बीच कूदती है। इनमें से प्रत्येक स्तर परमाणु चुंबकीय क्षण के एक विशिष्ट अभिविन्यास से मेल खाता है। यह प्रकाश स्तर की यह विसंगति है जिससे पता चलता है कि यह प्रणाली एक क्वांटम प्रणाली है। तो, हमारे पास एक क्वांटम सिस्टम का एक स्थिर मॉडल है।

एक क्वांटम प्रणाली पूरे मिनट के लिए एक राज्य में रह सकती है। इस प्रणाली को वास्तव में एक qubit बनाने के लिए, हमें राज्यों का एक महाप्रबंधक प्रदान करने की आवश्यकता है। हाल के माप हमें दिखाते हैं कि आप इस क्वांटम मेमोरी को कई सेकंड के लिए बचा सकते हैं। यह बहुत महत्वपूर्ण है: एक साधारण qubit एक लाखवें से एक सेकंड के अरबवें तक रहता है। माइकल का मानना ​​है कि जीवन का समय मिनटों तक बढ़ाया जा सकता है, या शायद घंटों तक भी।

बूथ पर - शांत, कागज पर भी, लेकिन आगे क्या है?

क्यूबिट्स व्यक्तिगत नाइट्रोजन परमाणु हो सकते हैं। हीरे में, वे एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं। माइकल एक नई प्रक्रिया बनाने के लिए qubits की संख्या बढ़ाने की कोशिश कर रहा है। दूसरा परिदृश्य क्वांटम इंटरनेट का विकास है, फोटॉनों का उपयोग मेमोरी जानकारी को स्थानीय प्रक्रिया में स्थानांतरित करने के लिए किया जाएगा।

एक संभव अनुप्रयोग स्टीफन बिज़नर का विचार है, जिन्होंने क्वांटम सूचना विज्ञान के पूरे क्षेत्र की शुरुआत की। 69 में, उन्होंने तथाकथित क्वांटम मनी बनाने के लिए क्वांटम बिट्स का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। क्वांटम मनी का विचार इस प्रकार है: यदि आप किसी क्वांटम फॉर्म में जानकारी संलग्न करते हैं, तो इसे कॉपी नहीं किया जा सकता है, लेकिन इसे सही तरीके से मापकर, आप इसकी विश्वसनीयता की पुष्टि कर सकते हैं।

क्वांटम मनी कैसे काम करती है?

आपके पास एक बैंकनोट है, और इस बैंकनोट में कई क्वांटम बिट्स हैं। यदि कोई इस बैंकनोट को कॉपी करना चाहता है, तो उसे सभी क्वांटम बिट्स के ओरिएंटेशन को मापना होगा। यदि हम सूचनाओं को राज्यों के अधीक्षण में संलग्न करते हैं, तो यह समझना असंभव है कि क्वेट की वास्तविक स्थिति क्या थी। उसी समय, जिस बैंक ने जानकारी को एनकोड किया था, वह जानता है कि एन्कोडिंग दिशा क्या थी और यह पुष्टि कर सकती है कि यह एक वास्तविक बैंकनोट है।

यह एक सरल विचार है, लेकिन 60 के दशक के अंत में किसी ने भी इस पर विश्वास नहीं किया। लगभग 10 वर्षों तक इस सिद्धांत का वर्णन करते हुए वाइज़र ने स्वयं एक लेख प्रकाशित करने का प्रयास किया। अब यह विचार सूचनाओं के भंडारण और संचारण के संदर्भ में कार्य की दिशा का आधार है।

अधिक अनुप्रयोग?

अनुसंधान से पता चलता है कि आप टोमोग्राफी के रिज़ॉल्यूशन को इस सीमा तक बढ़ा सकते हैं कि आप व्यक्तिगत परमाणुओं या अणुओं पर देख सकते हैं। माइकल की टीम ने हीरे से एक स्कैनिंग सेंसर को इकट्ठा किया। एक अलग नाइट्रोजन परमाणु को टिप पर रखा गया है: ऊपर वर्णित विधि द्वारा इस परमाणु के गुणों को मापकर, स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र को मापना संभव है। विशेष रूप से, इस प्रयोग में, चुंबकीय क्षेत्र को मापा गया, जिसे क्लासिक हार्ड डिस्क द्वारा 3 एनएम के आदेश के संकल्प के साथ बनाया गया है। इसके अलावा, यह पता चला है कि इस तरह के प्रयोग जीवित जीवों के अंदर भी किए जा सकते हैं: आप चुंबकीय क्षेत्रों को माप सकते हैं और जीवित कोशिकाओं के चुंबकीय टोमोग्राफी को केवल अविश्वसनीय संकल्प के साथ कर सकते हैं। यह, वैसे, बहुत महत्वपूर्ण है, उदाहरण के लिए, मस्तिष्क के कामकाज को समझने के लिए।

क्या इस दिशा में अन्य समूह काम कर रहे हैं?

हां, रूस में स्कोंटेल है, साथ ही मिखाइल कम से कम एक टीम को जानता है जो क्वांटम कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहा है।

संदर्भ

• रूसी और अंग्रेजी में डिजिटल अक्टूबर में माइकल का व्याख्यान ।
• हार्वर्ड सेंटर फ़ॉर क्वांटम फ़िज़िक्स (माइकल बेस)
• रूसी क्वांटम केंद्र , प्रौद्योगिकी की घोषणाएं हैं।
• विक्रांत एक फुटनोट के साथ Schrodinger की बिल्ली के बारे में , क्यों बिल्ली है, बिल्ली नहीं।