क्वांटम इमीटर और इन्फ्रारेड लेज़र के साथ अगली पीढ़ी के कंप्यूटर बनाना

कंप्यूटर का इतिहास आधुनिक प्रौद्योगिकी के इतिहास के साथ जुड़ा हुआ है। यह सब 19वीं सदी में शुरू हुआ, जब 1801 में एक फ्रांसीसी व्यापारी और आविष्कारक, मैरी जैकार्ड, ने छेदित लकड़ी के कार्डों के साथ एक बुनाई मशीन का आविष्कार किया जिससे कपड़े के डिज़ाइन स्वचालित रूप से बुन सके।

हालांकि, स्वचालित कंप्यूटिंग में सबसे महत्वपूर्ण प्रगति उसी सदी में हुई जब अंग्रेज़ गणितज्ञ चार्ल्स बैबेज ने एक भाप-चालित गणना मशीन विकसित की जो संख्याओं की तालिकाएँ बना सकती थी। 20वीं सदी का सबसे क्रांतिकारी आविष्कार 1936 में एलन ट्यूरिंग, एक ब्रिटिश वैज्ञानिक और गणितज्ञ, ने किया, जिन्होंने एक सार्वभौमिक मशीन प्रस्तुत की, जिसे बाद में ट्यूरिंग मशीन कहा गया। वैज्ञानिकों का मानना है कि आधुनिक कंप्यूटरों की अवधारणा मूलतः एलन ट्यूरिंग के विचारों पर आधारित है।

तब से यह प्रगति की एक श्रृंखला रही है। 1939 में डेविड पैकार्ड और बिल ह्यूलेट ने ह्यूलेट पैकार्ड कंपनी की स्थापना की, और 1953 में ग्रेस हॉपर ने पहला कंप्यूटर भाषा, कोबोल, विकसित किया, जिसके बाद जॉन बैकस और उनके आईबीएम के प्रोग्रामर टीम ने अपने नव निर्मित फ़ोर्ट्रान प्रोग्रामिंग भाषा का विवरण देते हुए एक पेपर प्रकाशित किया।

वर्षों में कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकी को समृद्ध करने वाले आविष्कारों की धारा कई पहलुओं पर केंद्रित रही है। कभी यह एक क्रांतिकारी भाषा या सॉफ़्टवेयर का विकास रहा है और कभी महत्वपूर्ण हार्डवेयर। ऐसे आविष्कार लगातार होते रहते हैं, जो अगली पीढ़ी के कंप्यूटर बनाने में मदद करते हैं, जो शब्द के वास्तविक अर्थ में ‘भविष्यवादी’ है।

आगे के भागों में, हम दो ऐसे आविष्कारों को देखेंगे जो क्वांटम इमीटर और इन्फ्रारेड लेज़र से संबंधित हैं। 

एक प्रमुख突破 की ओर बढ़ते हुए: एक स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटर

यह उपलब्धि लॉरेंस बर्कले नेशनल लैबोरेटरी (बर्कले लैब) द्वारा नेतृत्व किए गए शोधकर्ताओं की टीम से आई है। शोधकर्ताओं का दावा है कि उन्होंने सिलिकॉन को हाइड्रोजन से डोपिंग करके फेम्टोसेकंड लेयर का उपयोग करके क्यूबिट्स को बनाना और ‘नष्ट’ करना में सफल हुए हैं। शोधकर्ताओं ने ज़ोर दिया कि वे इस प्रक्रिया को मांग पर और सटीकता के साथ कर सकते हैं। 

लेकिन, शोध के महत्व को पूरी तरह समझने के लिए, हमें यह जानना होगा कि क्यूबिट्स क्या हैं और वे क्यों महत्वपूर्ण हैं!

अर्बों क्यूबिट्स को एक साथ जोड़ने की आवश्यकता

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

शोध ने अब एक तरीका दिखाया है जिससे प्रोग्रामेबल ऑप्टिकल क्यूबिट्स या ‘स्पिन-फ़ोटॉन क्यूबिट्स’ का उपयोग करके क्वांटम कंप्यूटर को सशक्त बनाया जा सकता है, जो दूरस्थ नेटवर्क में क्वांटम नोड्स को जोड़ सकते हैं। 

शोध के महत्व और प्राप्त परिणामों की व्याख्या करते हुए, बर्कले लैब के एक्सेलेरेटर टेक्नोलॉजी & एप्लाइड फिज़िक्स (ATAP) डिवीजन की पोस्टडॉक्टोरल स्कॉलर काउशाल्या झुरिया ने निम्नलिखित टिप्पणी की:

“To make a scalable quantum architecture or network, we need qubits that can reliably form on-demand, at desired locations, so that we know where the qubit is located in a material. And that’s why our approach is critical. Because once we know where a specific qubit is sitting, we can determine how to connect this qubit with other components in the system and make a quantum network.”

लेकिन शोध इस लक्ष्य को कैसे प्राप्त करता है? यह सिलिकॉन में प्रोग्रामेबल नियंत्रण के साथ क्यूबिट्स बनाकर करता है। 

सिलिकॉन के ‘कलर सेंटर’ और ‘स्पिन फ़ोटॉन क्यूबिट्स’ की कहानी

DOE के ऑफिस ऑफ़ साइंस के समर्थन से, अध्ययन ने सिलिकॉन में ‘कलर सेंटर’ नामक प्रोग्रामेबल दोष बनाने के लिए गैस वातावरण का उपयोग किया। ये कलर सेंटर ‘स्पिन फ़ोटॉन क्यूबिट्स’ या विशेष टेलीकॉम क्यूबिट्स के उम्मीदवार हैं।

क्वांटम या क्यूबिट बिट क्वांटम सूचना की मूल इकाई है। यह क्वांटम सूचना प्रणाली का सबसे छोटा घटक डेटा को 1, 0 या इनके बीच के सभी मानों में एन्कोड करता है, जिसे सुपरपोज़िशन कहा जाता है। स्पिन फ़ोटॉन क्यूबिट्स, दूसरी ओर, फोटॉनों को उत्सर्जित करते हैं जिनमें इलेक्ट्रॉन स्पिन में एन्कोड की गई जानकारी को बड़ी दूरी तक ले जाने की क्षमता होती है।

अब, इन विशेष क्यूबिट्स को सटीक रूप से सुरक्षित क्वांटम नेटवर्क का समर्थन करने के लिए बनाने हेतु, अध्ययन ने एक अल्ट्रा-फ़ास्ट लेज़र का उपयोग किया जो केवल फेम्टोसेकंड में ऊर्जा पल्स उत्सर्जित करता है—प्रत्येक पल्स एक क्वाड्रिलियनवें सेकंड जितना छोटा, और लक्ष्य क्षेत्र धूल कण से बड़ा नहीं।

परिणामी कलर सेंटर के ऑप्टिकल (फोटोल्यूमिनेसेंस) संकेतों को निकट-इन्फ्रारेड डिटेक्टर से जांचते हुए, टीम ने एक Ci सेंटर पाया, जो एक क्वांटम इमीटर है। Ci सेंटर की संरचना सरल है और इसमें आशाजनक स्पिन गुण हैं, साथ ही यह कमरे के तापमान पर स्थिर रहता है, जिससे यह एक प्रभावशाली स्पिन फ़ोटॉन क्यूबिट उम्मीदवार बनता है जो टेलीकॉम या फ़्रीक्वेंसी बैंड में फोटॉनों को उत्सर्जित करता है। झुरिया के अनुसार:

“We knew from the literature that Ci can be formed in silicon, but we didn’t expect to actually make this new spin photon qubit candidate with our approach.” 

रोचक बात यह है कि सिलिकॉन को हाइड्रोजन की उपस्थिति में प्रोसेस करते समय फेम्टोसेकंड लेज़र की तीव्रता बढ़ाने से हाइड्रोजन की गतिशीलता भी बढ़ सकती है। इससे अनचाहे कलर सेंटर निष्क्रिय हो जाते हैं जबकि सिलिकॉन लैटिस को नुकसान नहीं पहुंचता।

एक सैद्धांतिक विश्लेषण ने भी प्रयोगात्मक अवलोकनों की पुष्टि की कि हाइड्रोजन की उपस्थिति में Ci कलर सेंटर की चमक काफी बढ़ सकती है। जैसा कि झुरिया ने बताया, लेज़र पल्स न केवल हाइड्रोजन को बाहर निकालते हैं बल्कि उसे वापस लाते भी हैं, “इच्छित ऑप्टिकल क्यूबिट्स को सटीक स्थानों पर प्रोग्रामेबल रूप से बनाने की अनुमति देते हुए।” 

विश्वसनीय रूप से कलर सेंटर बनाना केवल शुरुआत है; अब टीम विभिन्न क्यूबिट्स को आपस में संवाद करने और यह देखना चाहती है कि कौन सबसे बेहतर प्रदर्शन करता है। 

“The ability to form qubits at programmable locations in a material like silicon that is available at scale is an exciting step towards practical quantum networking and computing.”

– कैमरन गेड्स, ATAP डिवीजन के निदेशक

यह तकनीक आगे ऑप्टिकल क्यूबिट्स को वेवगाइड जैसे क्वांटम उपकरणों में सम्मिलित करने और चयनित अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित गुणों वाले नए स्पिन फ़ोटॉन क्यूबिट उम्मीदवारों को खोजने के लिए उपयोग की जाएगी।

क्वांटम कंप्यूटिंग हासिल करने के नए दृष्टिकोण: अणुओं के साथ काम करना

क्वांटम कंप्यूटिंग का क्षेत्र वर्षों में काफी गति प्राप्त कर चुका है, जहाँ शोधकर्ता लगातार इसे संभव बनाने के लिए नई तकनीकों की खोज में लगे हैं। जैविक अणुओं को नियंत्रित करना एक ऐसा क्षेत्र है जिसे क्वांटम कंप्यूटिंग में संभावित अनुप्रयोगों के लिए अध्ययन किया जा रहा है। 

TU ग्राज़ की टीम ने इन्फ्रारेड प्रकाश पल्सों का उपयोग करके सक्षम अणुओं को उत्तेजित करने और छोटे चुंबकीय क्षेत्रों को बनाने की विधि की जांच की। यदि यह तकनीक प्रयोगों में सफलतापूर्वक विकसित की जाती है, तो इसे क्वांटम कंप्यूटर सर्किटों में भी उपयोग किया जा सकता है।

यह इसलिए है क्योंकि इन्फ्रारेड प्रकाश का चयनात्मक नियंत्रण वास्तव में चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और शक्ति को नियंत्रित करने में सक्षम बनाता है। इस प्रक्रिया से अणु उच्च-सटीकता वाले ऑप्टिकल स्विच बन जाते हैं, जिन्हें फिर क्वांटम कंप्यूटर के सर्किट बनाने में उपयोग किया जा सकता है, जैसा कि TU ग्राज़ के प्रयोगात्मक भौतिकी संस्थान के एंड्रियास हाउसर ने कहा।

जबकि अणु कंपन और स्पिन चुंबकत्व के बीच अंतःक्रियाएँ माइक्रोवेव स्पेक्ट्रोस्कोपी में अच्छी तरह से प्रलेखित हैं, यह अध्ययन सक्रिय रूप से अणु कंपन को उत्तेजित करने के तरीके प्रस्तावित करता है जो लक्षित स्थानों पर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है।

इन्फ्रारेड लेज़रों द्वारा अणुओं को उत्तेजित करके चुंबकीय क्षेत्रों का निर्माण

जब इन्फ्रारेड प्रकाश से प्रकाशित किया जाता है, तो अणु ऊर्जा आपूर्ति के कारण कंपन करने लगते हैं। इस घटना को प्रारंभिक बिंदु के रूप में उपयोग करके, भौतिकविदों ने यह पता लगाने की कोशिश शुरू की कि क्या इन कंपन को वास्तव में चुंबकीय क्षेत्रों के निर्माण के लिए उपयोग किया जा सकता है।

अपनी गणना के लिए, हाउसर और उनकी टीम ने धातु फ्थालोसाइनिन को उदाहरण के रूप में उपयोग किया। टीम ने पाया कि इन रिंग-आकार के, सुगंधित समतल डाई अणुओं की उच्च समरूपता के कारण, वे इन्फ्रारेड पल्सों के संपर्क में आने पर नैनोमीटर रेंज (< 1 nm) में छोटे चुंबकीय क्षेत्रों का निर्माण करते हैं। इस आधार पर, नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से कम लेकिन सटीक रूप से स्थानीयकृत क्षेत्र की शक्ति को मापना संभव होना चाहिए।

लेज़र स्पेक्ट्रोस्कोपी के शुरुआती दिनों के कार्य पर निर्भर रहने के अलावा, टीम ने सुपरकंप्यूटरों पर आधुनिक इलेक्ट्रॉन संरचना सिद्धांत का उपयोग करके यह गणना की कि जब परिपत्र ध्रुवीय इन्फ्रारेड प्रकाश के साथ उजागर किया जाता है तो मैक्रोसाइक्लिक फ्थालोसाइनिन अणु कैसे कार्य करते हैं। 

टीम ने पाया कि परिपत्र ध्रुवीय प्रकाश तरंगें दो अणु कंपन को एक साथ, एक-दूसरे के लम्बवत रूप में उत्तेजित करती हैं। इसे रुम्बा तकनीक से तुलना करते हुए, हाउसर ने कहा:

“सही संयोजन के आगे-पीछे और बाएँ-दाएँ आंदोलन से एक छोटा, बंद लूप बनता है। और प्रत्येक प्रभावित परमाणु नाभिक की यह परिपत्र गति वास्तव में एक चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, लेकिन केवल बहुत स्थानीय रूप से, कुछ नैनोमीटर रेंज में.”

यह सब केवल सैद्धांतिक है, हालांकि। टीम अब प्रयोगात्मक रूप से यह सिद्ध करने पर काम करेगी कि अणु चुंबकीय क्षेत्रों को नियंत्रित तरीके से उत्पन्न किया जा सकता है, ताकि उन्हें वास्तव में उपयोग किया जा सके। 

प्रयोग के लिए, उन्हें एक ऐसा सब्सट्रेट पहचानना होगा जो लक्षित प्रक्रियाओं के साथ न्यूनतम अंतःक्रिया करे क्योंकि आगामी अनुप्रयोगों में फ्थालोसाइनिन अणु को सतह पर स्थित करने की आवश्यकता होगी। ऐसा करने से भौतिक स्थितियों में परिवर्तन आता है, जो प्रकाश द्वारा उत्पन्न उत्तेजना और चुंबकीय क्षेत्र की विशेषताओं को प्रभावित करता है।

इसलिए, प्रयोग में वास्तविक परीक्षण से पहले, टीम को पहले जमा किए गए फ्थालोसाइनिन, इन्फ्रारेड प्रकाश और समर्थन सामग्री के बीच अंतःक्रिया की गणना करनी होगी। यदि प्रयोग भविष्यवाणी किए गए चुंबकीय शील्डिंग स्थिरांक में परिवर्तन की पुष्टि करता है, तो अध्ययन के अनुसार इसे कंपन द्वारा निर्मित चुंबकीय क्षेत्र का पहला मापन माना जा सकता है, जिसमें अंतःअणु रिज़ॉल्यूशन होगा। 

जानने के लिए यहाँ क्लिक करें Heron & Condor, क्वांटम कंप्यूटिंग में नवीनतम प्रगति।

क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र को आगे बढ़ाने वाली कंपनियां

कई कंपनियां, जैसे माइक्रोसॉफ्ट, इंटेल और डी-वेव, क्वांटम कंप्यूटिंग को आगे बढ़ाने पर काम कर रही हैं। IBM एक प्रमुख नाम है जो कई वर्षों से क्वांटम कंप्यूटिंग पर केंद्रित है। हाल ही में, इसने जापान के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ़ एडवांस्ड इंडस्ट्रियल साइंस एंड टेक्नोलॉजी (AIST) के साथ साझेदारी की है ताकि इस दशक के अंत से पहले 10,000 क्यूबिट्स वाला क्वांटम कंप्यूटर बनाने में मदद मिल सके। तो, इन सभी विकासों के बीच, चलिए इस क्षेत्र के कुछ अन्य महत्वपूर्ण नामों को गहराई से देखते हैं:

#1. Google 

यह तकनीकी दिग्गज कई वर्षों से क्वांटम कंप्यूटर बनाने में बहुत प्रयास कर रहा है। 2019 में, गूगल ने पहली बार दिखाया कि क्वांटम कंप्यूटर एक ऐसा एल्गोरिद्म चला सकते हैं जो पारंपरिक सुपरकंप्यूटर के लिए असंभव हो। (MSFT ) (INTC )

पिछले वर्ष, गूगल के सायकामोर क्वांटम प्रोसेसर को 70 क्यूबिट्स के साथ प्रस्तुत किया गया, जो अपने पिछले संस्करण के 53 क्यूबिट्स से एक बड़ी छलांग थी। यह लगभग 241 मिलियन गुना तेज़ और अधिक मजबूत है। गूगल का नया क्वांटम कंप्यूटर, वहीं, चुंबकों के व्यवहार का विस्तृत सिमुलेशन करता है और हमें चुंबकत्व की गहरी समझ प्रदान कर सकता है।

क्वांटम कंप्यूटिंग के संबंध में, गूगल एक फुल-स्टैक दृष्टिकोण अपनाता है, जिसमें हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर घटकों का सहज एकीकरण शामिल है। कंपनी वर्तमान में XPRIZE क्वांटम एप्लिकेशन्स नामक 3 साल, $5M का वैश्विक प्रतियोगिता चला रही है ताकि क्वांटम एल्गोरिद्म के क्षेत्र को आगे बढ़ाया जा सके।

2.2 ट्रिलियन डॉलर की मार्केट कैप के साथ, गूगल के शेयर $177.08 पर ट्रेड हो रहे हैं, YTD में 26.88% बढ़े हैं। इसका EPS (TTM) 6.52 है, P/E (TTM) 27.18, और डिविडेंड यील्ड 0.45% है। Q1 2024 में, कंपनी ने $80.5 बिलियन की राजस्व दर्ज किया, जो YoY में 15% बढ़ा, जबकि उसका ऑपरेटिंग मार्जिन 32% तक विस्तारित हुआ।

#2. Dell 

यह तकनीकी कंपनी भी क्वांटम कंप्यूटिंग में कुछ ठोस कदम उठाना शुरू कर चुकी है। हाल ही में, डेल ने आयनक्यू के साथ विकसित एक हाइब्रिड क्लासिकल/क्वांटम प्लेटफ़ॉर्म पेश किया। इसने अरामको के साथ सहयोग की घोषणा भी की है ताकि क्वांटम कंप्यूटिंग, एआई और एज कंप्यूटिंग में प्रगति का अन्वेषण किया जा सके। अरामको और डेल मिलकर क्वांटम कंप्यूटिंग के माध्यम से ऊर्जा अनुकूलन, मौसम मॉडलिंग, सामग्री विज्ञान और भविष्यवाणी रखरखाव जैसे जटिल चुनौतियों को संबोधित करने का लक्ष्य रखते हैं।

डेल टेक्नोलॉजीज़ आयरलैंड की MD कैथरीन डॉली के अनुसार, क्वांटम कंप्यूटिंग एआई प्रगति में भी मदद करेगा क्योंकि यह “निकट भविष्य में आपस में जुड़ जाएगा।”

100.74 बिलियन डॉलर की मार्केट कैप के साथ, डेल के शेयर वर्तमान में $144.50 पर ट्रेड हो रहे हैं, YTD में 85.66% बढ़े हैं। इसका EPS (TTM) 4.36 है, P/E (TTM) 32.55, और डिविडेंड यील्ड 1.25% है। Q1 2024 में, कंपनी ने $22.2 बिलियन की राजस्व और $60 मिलियन की शुद्ध आय दर्ज की।

निष्कर्ष

क्वांटम कंप्यूटिंग शोधकर्ताओं, संगठनों और सरकारों के लिए एक बढ़ता हुआ रुचि का क्षेत्र रहा है। इसकी तेज़ गति, उन्नत सुरक्षा, अधिक दक्षता, सटीक सिमुलेशन और बेहतर विश्लेषण की क्षमता के कारण, यह समझ में आता है कि इस पर बढ़ता ध्यान, निरंतर अनुसंधान और निवेश हुआ है, जो अंततः क्वांटम कंप्यूटिंग को वास्तविकता बनाते हुए विभिन्न क्षेत्रों में इसके अनुप्रयोग को संभव बना सकता है।

वर्तमान क्वांटम कंप्यूटिंग की स्थिति के बारे में जानने के लिए यहाँ क्लिक करें।