क्या हीरे क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए बेहतर क्यूबिट्स को अनलॉक कर सकते हैं?

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए हीरे का उपयोग

सामान्य कंप्यूटर बिट्स (0 & 1) का उपयोग करते हैं, जबकि क्वांटम कंप्यूटर “क्यूबिट्स” का उपयोग करते हैं। क्यूबिट्स दो क्वांटम गुणों के कारण एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद रह सकते हैं: सुपरपोज़िशन और एंटैंगलमेंट।

• सुपरपोज़िशन क्यूबिट्स को एक ही समय में 0 और 1 दोनों को दर्शाने की अनुमति देता है, जिससे क्लासिकल बिट्स की तुलना में प्रोसेस किए जा सकने वाले डेटा की मात्रा घातीय रूप से बढ़ जाती है।
• एंटैंगलमेंट क्यूबिट्स को इस तरह जोड़ता है कि एक क्यूबिट की स्थिति तुरंत दूसरे को प्रभावित कर सकती है, यहाँ तक कि बड़ी दूरी पर भी।

ये गुण QPU को अत्यधिक जटिल समस्याओं को हल करने में सक्षम बनाते हैं क्लासिकल कंप्यूटरों की तुलना में कई समाधान एक साथ खोजकर बहुत तेज़ी से।

“क्यूबिट्स का लाभ यह है कि वे सामान्य बिट्स की तुलना में बहुत अधिक जानकारी रख सकते हैं। इसका मतलब है कि वे हमें उनके पर्यावरण के बारे में भी बहुत अधिक जानकारी दे सकते हैं, जिससे वे उदाहरण के तौर पर सेंसर के रूप में अत्यधिक मूल्यवान बनते हैं।”

एलास्टेयर स्टेसी – पीपीपीएल में प्रमुख अनुसंधान भौतिक विज्ञानी और क्वांटम सामग्री एवं उपकरणों के प्रमुख।

हालांकि, क्यूबिट्स अत्यंत नाज़ुक होते हैं, और उनकी विशेषताओं को मापना आसान कार्य नहीं है।

तो यदि हम पृथ्वी की सबसे कठोर सामग्री – हीरे – पर भरोसा करें हमारे सबसे उन्नत कंप्यूटर में कार्य करने के लिए? यह प्रिंसटन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं का दृष्टिकोण है, जिन्होंने हाल ही में Diamond And Related Materials में शीर्षक “सतह प्रतिक्रियाओं का क्वांटम रसायन मॉडल और हीरे की वृद्धि का गतिज मॉडल: कम तापमान CVD में CH₃ रेडिकल्स और C₂H₂ अणुओं के प्रभाव¹” के साथ प्रकाशित किया।

यह मेलबर्न विश्वविद्यालय और प्रिंसटन विश्वविद्यालय के अन्य शोधकर्ताओं के कार्यों से जुड़ता है, जिसका शीर्षक “हीरे की हाइड्रोजन-टर्मिनेशन को संरक्षित करने वाले कलर सेंटर के लिए विधियाँ²” है।

आवश्यकतानुसार हीरे का उत्पादन

इतिहास में हीरे केवल प्राकृतिक पत्थर थे, लेकिन आजकल अधिकांश हीरे कच्चे कार्बन से निर्मित होते हैं। हालांकि, इस प्रक्रिया के लिए अत्यधिक गर्मी और दबाव की आवश्यकता होती है, इसलिए इसे कंप्यूटर चिप्स में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन जैसी अन्य सामग्रियों के साथ संयोजित नहीं किया जा सकता। इसलिए, कम तापमान पर हीरे का निर्माण आवश्यक है।

कुछ विधियों का पहले ही अन्वेषण किया जा चुका है, जैसे एसीटिलीन का उपयोग और “प्लाज़्मा-एन्हांस्ड केमिकल वेपर डिपोजिशन” नामक तकनीक।

Source: PPPL

समस्या यह है कि जबकि यह माइक्रोस्कोपिक हीरे बना सकता है, यह बहुत अधिक धुआँ भी जमा करता है, जो हीरे के ऊपर जमा होकर ऑप्टिक्स, सेंसर और चिप्स के प्रदर्शन को बाधित कर सकता है। अब तक यह स्पष्ट नहीं था कि धुआँ हीरे के बजाय क्यों बनता है।

गोल्डिलॉक्स तापमान और हाइड्रोजन

शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रक्रिया द्वारा हीरा बनने का एक सटीक तापमान है। इस महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर, एसीटिलीन मुख्यतः हीरे की वृद्धि में योगदान देता है। इस महत्वपूर्ण तापमान से नीचे, यह मुख्यतः धुएँ की वृद्धि में योगदान देता है।

Source: Diamond And Related Materials

एक अन्य कारक हीरे की सतह के निकट हाइड्रोजन परमाणुओं की सक्रियता है। सतह के निकट अधिक हाइड्रोजन होने से, कम तापमान पर भी अधिक हीरे बन सकते हैं।

“हाइड्रोजन परमाणु सीधे हीरे की वृद्धि को ईंधन नहीं देते, लेकिन हाइड्रोजन का विघटन, या टूटना, मीथेन को एसीटिलीन में बदलने और एटॉमिक हाइड्रोजन को हीरे की वृद्धि सतह तक पहुँचाने के लिए महत्वपूर्ण है। ये दोनों ही हीरे की वृद्धि के लिए आवश्यक हैं,”

अलेक्जेंडर ख्राब्री – प्रिंसटन विश्वविद्यालय शोधकर्ता

इन हीरे निर्माण संबंधी अंतर्दृष्टियों के साथ, सिलिकॉन अर्धचालकों के भीतर सीधे माइक्रोस्कोपिक हीरे को विश्वसनीय रूप से बनाना संभव हो गया है, बिना उच्च तापमान से सामग्री को नुकसान पहुंचाए या अनचाहे धुएँ का निर्माण किए।

क्वांटम हीरे

सिर्फ कार्बन से बने साधारण हीरे ऑप्टिक्स और सेंसर में कुछ उपयोग हो सकते हैं। लेकिन अधिक उन्नत रूप के हीरे और भी अधिक उपयोगी हो सकते हैं।

उदाहरण के लिए, क्वांटम हीरे तब बनते हैं जब हीरे को बनाने वाले कुछ कार्बन परमाणुओं को अन्य परमाणुओं, जैसे नाइट्रोजन, से बदल दिया जाता है, और कुछ अन्य कार्बन परमाणु हटा दिए जाते हैं। इससे एक तथाकथित नाइट्रोजन-वैकेंसी (NV) बनती है।

ऐसे हीरे में, अंदर के इलेक्ट्रॉन क्लासिक भौतिकी के बजाय क्वांटम नियमों का पालन करना शुरू कर देते हैं, जिसे क्यूबिट्स बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

“इस सामग्री में इलेक्ट्रॉन भारी कणों की तरह क्लासिकल भौतिकी के नियमों का पालन नहीं करते। इसके बजाय, सभी इलेक्ट्रॉनों की तरह, वे क्वांटम भौतिकी के नियमों के अनुसार व्यवहार करते हैं।”

एलास्टेयर स्टेसी – पीपीपीएल में प्रमुख अनुसंधान भौतिक विज्ञानी और क्वांटम सामग्री एवं उपकरणों के प्रमुख।

हीरे की रेसिपी को परिपूर्ण बनाना

अब तक, हीरे बनाने के लिए प्लाज़्मा का उपयोग करने की विधि बहुत सटीक नहीं रही है। यह बहुत सारे परीक्षण और त्रुटियों पर निर्भर थी, क्योंकि हीरे की सतह पर वास्तव में क्या होता है, इसका सिद्धांत अभी अच्छी तरह समझा नहीं गया है।

आदर्श रूप में, प्लाज़्मा का उपयोग हीरे के ऊपर एक मोनो-एटॉमिक हाइड्रोजन परत जोड़ने के लिए भी किया जा सकता है। लेकिन क्वांटम हीरों के मामले में, उच्च तापमान नाइट्रोजन-वैकेंसी को नष्ट कर देगा।

इसलिए शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत विश्लेषणात्मक प्रणाली (फोटोल्यूमिनेसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके) बनाई ताकि NV हीरों पर हाइड्रोजन परत बनाने के लिए सबसे अच्छा क्या काम करता है, इसका मूल्यांकन किया जा सके।

Source: Advanced Materials Interface

उन्होंने पाया कि दो नई विधियों का उपयोग किया जा सकता है, हालांकि प्रत्येक के अपने-अपने नुकसानों के साथ।

Source: Advanced Materials Interface

• फ़ॉर्मिंग गैस एनीलिंग, जो हाइड्रोजन अणुओं और नाइट्रोजन गैस के मिश्रण का उपयोग करती है, काम करती है लेकिन बहुत शुद्ध हाइड्रोजन गैस की आवश्यकता होती है जिसमें कोई ऑक्सीजन नहीं हो, जो कम तापमान पर प्राप्त करना कठिन है।
• कोल्ड प्लाज़्मा टर्मिनेशन, जो अप्रत्यक्ष रूप से हाइड्रोजन प्लाज़्मा का उपयोग करती है, NV सेंटर को नुकसान नहीं पहुंचाती और लागू करने में आसान थी, लेकिन हीरे पर हाइड्रोजन परत की गुणवत्ता कम बनाती है।

“यह सतह की गुणवत्ता और NV गुणों के बीच समझौते को उजागर करता है, जिसे भविष्य के अनुप्रयोगों में संतुलित करना होगा। उदाहरण के लिए, बायोमोलेक्यूलर सेंसरिंग परियोजनाओं में, यह बिल्कुल आवश्यक है कि NVs को सतहों के निकट संरक्षित रखा जाए।”

Daniel McCloskey – University of Melbourne में शोधकर्ता। 

समग्र रूप से, ये खोजें हीरों के लिए कुछ नई, पहले कठिन या असंभव अनुप्रयोगों का मार्ग खोलती हैं:

• सिलिकॉन अर्धचालकों पर सीधे उत्पादन, जिससे हीरे सीधे सर्किट, सेंसर और ट्रांज़िस्टर में एकीकृत हो सकें।
• क्वांटम हीरों का उत्पादन कार्यात्मक क्यूबिट्स में, जिसमें हीरे की सतह पर सूक्ष्म रूप से ट्यून किया गया हाइड्रोजन परत शामिल है।

नए क्वांटम कंप्यूटर

अब तक क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक अर्धचालक उद्योग की उत्पादन तकनीकों से निर्मित किए गए हैं। लेकिन क्वांटम तकनीक सामान्य कंप्यूटिंग से इतनी अलग है, इसलिए नई सामग्री पारंपरिक सिलिकॉन की तुलना में अधिक उपयुक्त हो सकती है।

इसमें हीरे भी शामिल हो सकते हैं, जो एक दिन क्वांटम कंप्यूटिंग को कमरे के तापमान पर चलाने की अनुमति देंगे, जिससे लागत में नाटकीय कमी आएगी और बड़े क्वांटम कंप्यूटर बनाने में मदद मिलेगी।

“50 से अधिक क्यूबिट्स वाले क्वांटम सिम्युलेटर और कमरे के तापमान पर क्वांटम कंप्यूटर बनाना क्यूबिट्स की संख्या को 100 या 1000 जैसे उच्च स्तर तक स्केल करने का मार्ग खोलता है, जो क्रिप्टोग्राफी, एआई और सामग्री विज्ञान जैसे क्षेत्रों में क्रांतिकारी बदलाव लाएगा।”

यह क्षमता वैज्ञानिकों को जीवनरक्षक दवाओं की खोज तेज़ी से करने, कठिन अनुकूलन समस्याओं को हल करने, या ऊर्जा-बचत तकनीकों को अधिक कुशलता से विकसित करने में सक्षम बनाएगी।

Martin Koppenhöfer – SPINUS में प्रोजेक्ट कोऑर्डिनेटर

इसके अलावा, हीरे के अलावा अन्य नई नवाचारी सामग्री जैसे एल्यूमीनियम नाइट्राइड से बने पायज़ोइलेक्ट्रिक नैनोमैकेनिकल रेजोनेटर क्वांटम सेंसर या क्वांटम ट्रांसड्यूसर के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं।

समग्र रूप से, यह संभावना है कि उन्नत नई सामग्री सिलिकॉन के लिए एक ठोस विकल्प बनेंगी और क्वांटम कंप्यूटिंग के वादे को आज की हमारी कल्पना से बहुत आगे ले जाएंगी।

क्वांटम कंप्यूटिंग में निवेश

क्वांटम कंप्यूटिंग अभी शुरू ही हुई है, लेकिन इसने अब तक सिलिकॉन क्रांति को शक्ति देने वाली सभी बड़ी कंप्यूटिंग कंपनियों का ध्यान आकर्षित कर लिया है।

यह हमेशा हमारे कंप्यूटरों में उपयोग से अधिक विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित रह सकता है, लेकिन यह भौतिकी, जीवविज्ञान, सामग्री विज्ञान, क्रिप्टोग्राफी और सैन्य अनुप्रयोगों के मॉडलिंग में अभी भी महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से क्वांटम कंप्यूटिंग कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और आप यहाँ, securities.io पर, संयुक्त राज्य अमेरिका, कनाडा, ऑस्ट्रेलिया, यूके और कई अन्य देशों में सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों की हमारी सिफारिशें पा सकते हैं।

यदि आप विशिष्ट कंपनियों को चुनने में रुचि नहीं रखते, तो आप ProShares Nanotechnology ETF (TINY) या WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) (WT ) जैसे ETFs देख सकते हैं, जो क्वांटम कंप्यूटिंग और नैनोटेक स्टॉक्स में अधिक विविध एक्सपोजर प्रदान करेंगे।

या आप हमारी सूची “शीर्ष 10 नैनोटेक स्टॉक्स” और “5 सर्वश्रेष्ठ क्वांटम कंप्यूटिंग कंपनियां” देख सकते हैं।

क्वांटम कंप्यूटिंग कंपनियां

इंटरनेशनल बिजनेस मशीन कॉरपोरेशन (IBM) पहला मेनफ़्रेम कंप्यूटर के व्यावसायीकरण के पीछे प्रमुख शक्ति थी।

हालांकि, हाल ही में यह एप्पल (AAPL ), TSMC (TSM ), और NVIDIA (NVDA ) जैसे अन्य तकनीकी दिग्गजों के उत्पादन मात्रा में पीछे रह गया है।

फिर भी, यह क्वांटम कंप्यूटर विकास के अग्रभाग में है। उदाहरण के लिए, इसने अपना 127-क्यूबिट “Eagle” क्वांटम कंप्यूटर विकसित किया, जिसके बाद “Osprey” नामक 433-क्यूबिट सिस्टम आया।

और अब “Condor”, 1,121 सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट क्वांटम प्रोसेसर के साथ जारी है, क्रॉस-रेज़ोनेंस गेट तकनीक पर आधारित, साथ ही “Heron”, क्षेत्र के अत्यंत अग्रिम क्वांटम प्रोसेसर।

क्वांटम कंप्यूटर बेहतर मैग्नेटिक नियंत्रण से लाभान्वित हो सकते हैं, जिससे क्यूबिट स्थिरता और विश्वसनीयता बढ़ेगी, जो प्रोसेसिंग शक्ति के लिए आवश्यक हैं।

इसी तरह, सुपरकंडक्टर्स में प्रगति, जो नियंत्रित मैग्नेटिक क्षेत्रों पर निर्भर होते हैं, अधिक कुशल ऊर्जा संचरण और कूलिंग सिस्टम का कारण बन सकती है, विशेष रूप से उच्च तापमान पर।

IBM कंप्यूटिंग और अर्धचालक उद्योग में अधिकांश अन्य अत्याधुनिक नवाचारों में शामिल है। इनमें कंडक्टिंग ऑर्गेनिक मैटेरियल्स, न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग, फोटॉनिक्स, आदि शामिल हैं।

कुछ हद तक, IBM एक “पेटेंट कंपनी” बन गया है, जो नई कंप्यूटिंग विधियों को विकसित करने और उन्हें उद्योग को लाइसेंस देने में विशेषज्ञता रखता है।

अब तक, यह जितने संभव हो उतने प्रमुख पेटेंट गैर-सिलिकॉन कंप्यूटिंग विधियों में रखने के लिए बहुत दृढ़ दिखता है, जो अर्धचालक उद्योग को आज के विशाल रूप में विकसित करने में उसके पिछले बड़े योगदान को दोहराता है।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). सतह प्रतिक्रियाओं का क्वांटम रसायन मॉडल और हीरे की वृद्धि का गतिज मॉडल: कम तापमान CVD में CH₃ रेडिकल्स और C₂H₂ अणुओं के प्रभाव. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). हीरे की हाइड्रोजन-टर्मिनेशन को संरक्षित करने वाले कलर सेंटर के लिए विधियाँ. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}