मास-प्रोड्यूसेबल फोटोनिक चिप्स क्वांटम स्केलिंग को खोल सकते हैं

कोलोराडो विश्वविद्यालय, बॉल्डर के इंजीनियरों ने अभी-अभी क्वांटम कंप्यूटिंग अपनाने में एक प्रमुख कदम – स्केलेबिलिटी – खोज निकाली है। क्वांटम डिवाइस बनाने के लिए आवश्यक अत्यधिक सटीकता बड़े पैमाने पर दोहराई नहीं जा सकी है, जिससे उनकी लागत अभी भी अधिकांश लोगों की पहुँच से बाहर है।

सौभाग्य से, यह स्थिति आने वाले वर्षों में बदलने वाली है क्योंकि यह नवीनतम विकास पारंपरिक CMOS निर्माण विधियों का उपयोग करके स्थिर क्वांटम चिप्स बनाता है, जो आज उपलब्ध किसी भी चीज़ से बहुत छोटे और किफायती हैं। यहाँ वह सब कुछ है जो आपको जानना चाहिए।

क्वांटम बनाम क्लासिकल कंप्यूटिंग: फोटोनिक अंतर

पारंपरिक कंप्यूटरों के विपरीत, क्वांटम कंप्यूटर बिट्स और पारंपरिक चिप्स का उपयोग नहीं करते। इसके बजाय, वे क्वांटम सुपरपोज़िशन और क्यूबिट्स पर निर्भर होते हैं गणनाओं को हल करने के लिए। क्वांटम कंप्यूटर बनाने के सबसे लोकप्रिय तरीकों में से एक ऑप्टिकल फोटोनिक मॉड्यूलेटर का उपयोग है।

ये उपकरण क्वांटम कंप्यूटरों को ट्रैप्ड आयन या न्यूट्रल एटम को क्यूबिट्स के रूप में उपयोग करने में सक्षम बनाते हैं। ये चिप्स इंजीनियरों को क्यूबिट्स पर एक ट्यून करने योग्य लेज़र निर्देशित करने की अनुमति देते हैं, जो आवृत्ति मॉड्यूलेशन के माध्यम से गणनाओं के लिए संचालन निर्देश संप्रेषित करते हैं।

स्केलेबिलिटी बाधा: क्यों बड़े पैमाने पर उत्पादन विफल रहा

क्वांटम कंप्यूटरों के वर्तमान निर्माण तरीकों में कई समस्याएँ हैं। मुख्य रूप से, बड़े पैमाने पर उत्पादन के संदर्भ में कोई समाधान नहीं है। ये चिप्स इतनी संवेदनशील और सटीक हैं कि अधिकांश मामलों में उन्हें व्यक्तिगत रूप से लैब में निर्मित करना पड़ता है। वर्तमान में, असेंबली विधि इस बात पर निर्भर करती है कि इंजीनियर अधिकांश डिवाइस को हाथ से जोड़ते हैं।

इसके अतिरिक्त, ये डिवाइस कई क्यूबिट्स को सटीक ट्यूनिंग क्षमताएँ प्रदान करने के लिए उच्च शक्ति वाले लेज़र बीम को एकीकृत करते हैं। इसलिए, उन्हें विश्वसनीय और गर्मी-प्रतिरोधी होना चाहिए, विशेष रूप से जब आप विचार करते हैं कि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर हजारों क्यूबिट्स का उपयोग कर सकते हैं।

फ़ॉर्म फ़ैक्टर सीमाएँ

वर्तमान क्वांटम चिप्स अधिकांश अनुप्रयोगों में उपयोग करने के लिए बहुत बड़ी हैं। उन्हें क्रायोजेनिक कूलिंग, लंबी ऑप्टिकल पाथ और बिखरे हुए क्यूबिट डिज़ाइन की आवश्यकता होती है। यह सेटअप वास्तव में शोर को कम करने में मदद करता है, लेकिन यह उन्हें पारंपरिक कंप्यूटर चिप्स की तुलना में अत्यधिक बड़ा बनाता है।

इसके अतिरिक्त, भविष्य की पीढ़ियों के क्वांटम कंप्यूटर अधिक क्यूबिट्स का उपयोग करेंगे, जिसका अर्थ है कि आज के सबसे उन्नत क्वांटम कंप्यूटर भी एक दशक में सार्वजनिक रूप से उपलब्ध होने वाले से तुलना में केवल एक बूंद हैं। परिणामस्वरूप, इन डिवाइसों को बड़े पैमाने पर अपनाने से पहले एक उचित फ़ॉर्म फ़ैक्टर में छोटा किया जाना आवश्यक है।

ताप क्वांटम अवस्था को नष्ट करता है

क्यूबिट्स के साथ संचार करने के लिए उपयोग की जाने वाली सभी लेज़र ऊर्जा एक और समस्या है, क्योंकि यह बहुत अधिक गर्मी उत्पन्न करती है। ताप हमेशा कंप्यूटरों के लिए समस्याग्रस्त रहा है, चाहे उनका सेटअप कुछ भी हो। हालांकि, क्वांटम कंप्यूटर गणनाएँ करने के लिए नाज़ुक क्वांटम अवस्था को बनाए रखने पर निर्भर होते हैं। इसलिए उन्हें क्रायोजेनिक कूलिंग की आवश्यकता होती है। परिणामस्वरूप, गर्मी इन डिवाइसों को अनुपयोगी बना सकती है।

ब्रेकथ्रू: CMOS-संगत फोटोनिक सर्किट

अध्ययन “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” प्रकाशित¹ जर्नल Nature Communications में, ऑप्टिकल क्वांटम चिप्स बनाने के लिए एक पूरी नई विधि प्रस्तुत करता है।

नया प्रक्रिया कई लोगों द्वारा फोटोनिक कंप्यूटर क्रांति की ओर पहला कदम माना जाता है। यह डिवाइस, जो एक बाल के धागे से 100 गुना पतला है, मॉड्यूलर तकनीकों को एकीकृत करके दक्षता और स्थिरता का नया स्तर बनाता है।

यह विशेष रूप से निर्मित गीगाहर्ट्ज-फ़्रीक्वेंसी अकौस्टो-ऑप्टिक फ़ेज़ मॉड्यूलेटर पाईज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर और फोटोनिक वेवगाइड को मिलाता है, जिससे फ़ॉर्म फ़ैक्टर को न्यूनतम किया जाता है जबकि तरंगदैर्ध्य-स्तर की संरचना बनी रहती है।

ऑप्टिकल फ़ेज़ मॉड्यूलेटर

अपग्रेडेड ऑप्टिकल फ़ेज़ मॉड्यूलेटर माइक्रोवेव आवृत्तियों का उपयोग करके लेज़र प्रकाश को नियंत्रित कर सकता है। माइक्रोवेव प्रकाश को उत्तेजित करते हैं और प्रति सेकंड अरबों बार कंपन करवाते हैं, जिससे सटीक ट्यूनिंग, अतिरिक्त स्थिरता और दक्षता संभव होती है। विशेष रूप से, अकौस्टो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर एक पाईज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर पर स्थापित फोटोनिक वेवगाइड को एकीकृत करता है।

CMOS निर्माण बड़े पैमाने पर उत्पादन को सक्षम बनाता है

कठोर आकार आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, इंजीनियरों ने डिवाइस को 200-मिमी वेफ़र पर बनाने का निर्णय लिया, जिसे बाद में 120 विभिन्न चिप्स में काटा गया। इस प्रक्रिया में पाईज़ो-ऑप्टोमैकेनिकल एल्यूमिनियम नाइट्राइड-SiNx प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग किया गया, जिससे इंजीनियरों को 730-एनएम लेज़र इनपुट पर गीगाहर्ट्ज-फ़्रीक्वेंसी साइडबैंड बनाने के लिए फ़ेज़ मॉड्यूलेशन का उपयोग करने में सक्षम बनाया गया।

और भी प्रभावशाली यह है कि उन्होंने डिवाइस बनाने के लिए मानक चिप निर्माण तकनीकों पर भरोसा किया, जिसका अर्थ है कि भविष्य में इन्हें बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है, जिससे अधिक क्वांटम कंप्यूटिंग तक पहुँच का द्वार खुलता है।

अपने दृष्टिकोण पर चर्चा करते हुए, इंजीनियरों ने कहा कि CMOS निर्माण स्केलेबल तकनीक की शिखर है और इसे क्वांटम चिप्स बनाने के साधन के रूप में उपयोग करना आगे के अपनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

विशेष रूप से, इंजीनियरों ने बताया कि इस तकनीक ने आपके कई पसंदीदा हाई-टेक डिवाइसों को संभव बनाया है, जिसमें स्मार्टफ़ोन, लैपटॉप और अन्य डिवाइस शामिल हैं जिन पर आप दैनिक रूप से निर्भर होते हैं। उन्होंने समझाया कि इसने तकनीक को कैसे प्रसारित किया और भविष्य में क्वांटम-शक्तिशाली डिवाइसों के लिए भी यही करेगा।

स्रोत – Nature Communications

डुअल-मोड ऑपरेशन: ऑप्टिकल और इलेक्ट्रोमैकेनिकल

विशेष रूप से, ऑप्टिकल फ़ेज़ मॉड्यूलेटर दो अलग-अलग मोड में काम कर सकता है। पहला मोड प्रोपेगेटिंग ऑप्टिकल मोड है, जो सर्किट पर फोटोनिक वेवगाइड को प्रसारित और मार्गदर्शित करता है। यह रणनीति एंटैंगलमेंट वितरण, रूटिंग और कोहेरेंस का समर्थन करती है, जिससे यह अधिकांश ऑपरेशनों के लिए महत्वपूर्ण बनता है।

दूसरा मोड इलेक्ट्रिकली एक्साइटेबल ब्रीदिंग-मोड मैकेनिकल रेज़ोनेंस है, जो नैनोस्ट्रक्चर पर लागू माइक्रोवेव पर निर्भर करता है, जिससे पाईज़ोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएशन बनता है। ये माइक्रोवेव फोटॉन दोलन दरों और ऑप्टिकल फ़ील्ड को बदलते हैं। विशेष रूप से, यह मोड उच्च ऑप्टिकल पावर को समर्थन देता है, जिससे यह उन्नत क्वांटम गणनाओं के लिए आदर्श बनता है।

प्रदर्शन बेंचमार्क: स्थिरता और दक्षता

इंजीनियरों ने चिप के आउटपुट का परीक्षण करने के लिए रेडियो फ़्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम एनालाइज़र पर कई परीक्षण किए। इस कार्य को पूरा करने के लिए, टीम ने चिप को एक ऐसे आर्म पर माउंट किया जिसमें लेज़र स्रोत को फाइबर इंटरफ़ेरोमीटर से जोड़ा गया था।

डिवाइस के दूसरे सिरे को एक अकौस्टो-ऑप्टिक फ़्रीक्वेंसी शिफ्टर (AOFS) से जोड़ा गया था। इंजीनियरों ने प्रकाश को डिवाइस के दोनों सिरों से गुज़ारा और फिर 50/50 डायरेक्शनल कप्लर का उपयोग करके इसे पुनः संयोजित किया। यह फोटॉनों को स्पेक्ट्रम एनालाइज़र की ओर निर्देशित करने में सक्षम बनाता है, जिससे सटीकता बढ़ती है।

नई चिप ने 730NM की ऑप्टिकल पावर रेटिंग हासिल की, जो इंजीनियरों द्वारा निर्धारित 500mW लक्ष्य से अधिक है। अतिरिक्त रूप से, टीम ने डिवाइस की ज्यामिति को ट्यून करके ऑप्टोमैकेनिकल इंटरैक्शन को और बढ़ाया। इस परीक्षण ने 4.85 रैडियन तक की मॉड्यूलेशन गहराई दिखायी, केवल 80mW माइक्रोवेव को 2.31GHz पर सेट करके।

प्रभावशाली रूप से, इस यूनिट ने अब तक की किसी भी चिप की सबसे कम फ़्रीक्वेंसी लॉस दर्ज की। विशेष रूप से, इंजीनियरों ने नोट किया कि नई चिप मौजूदा क्वांटम चिप्स की तुलना में माइक्रोवेव पावर आवश्यकताओं के संदर्भ में 15 गुना अधिक स्थिर और 100 गुना अधिक कुशल थी।

CMOS निर्माण के मुख्य लाभ

मास-प्रोड्यूस्ड फोटोनिक चिप्स बाजार में कई लाभ लाएंगे। सबसे पहले, इन्हें बड़ी संख्या में निर्मित किया जा सकता है, जिससे तकनीक विशेष पहुंच से लोकप्रिय कंप्यूटिंग विकल्प में बदल सकती है। यह निर्माण विधि अधिक किफायती है और इंजीनियरों को हजारों क्यूबिट्स को एकीकृत करने वाले अपेक्षाकृत छोटे क्वांटम कंप्यूटर बनाने में सक्षम बनाती है।

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यह निर्माण विधि पहली बार इन हाई-टेक, जटिल डिवाइसों के समान संस्करण बनाने में सक्षम है। यह क्षमता का मतलब है कि इंजीनियर भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर डिज़ाइनों को मौजूदा तरीकों का उपयोग करके जनता तक बना और वितरित कर सकेंगे।

छोटा आकार

इस लेआउट का सबसे बड़ा लाभ इसका छोटा आकार है। मानव बाल से 100 गुना छोटे होने के कारण, ये चिप्स शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर डिज़ाइनों का समर्थन कर सकते हैं। ये यूनिट्स IBM के (IBM )Condor चिप की तरह हजारों क्यूबिट्स को एकीकृत करेंगे, जो 1,121 क्यूबिट्स को संभालता है लेकिन बड़े लैमिनेट के कारण इसका फ़ॉर्म फ़ैक्टर बहुत बड़ा है।

उच्च प्रदर्शन

प्रभावशाली रूप से, ये चिप्स आज के सबसे उन्नत मशीनों के समान कंप्यूटिंग शक्ति प्रदान कर सकती हैं। वे 500mW से अधिक ऑप्टिकल पावर का समर्थन कर सकती हैं, जो हाई-एंड क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए वर्तमान शीर्ष सीमा है। साथ ही, नई चिप डिज़ाइन अधिक ऑप्टिकल पावर और सटीकता का समर्थन करती है जबकि बहुत कम पावर का उपभोग करती है।

और अधिक कुशल

इस दृष्टिकोण में उपयोग की गई फ़ेज़ मॉड्यूलेशन पूर्ववर्तियों की तुलना में बहुत कम माइक्रोवेव पावर की आवश्यकता रखती है। विशेष रूप से, इंजीनियरों ने नोट किया कि उनका डिवाइस 80 गुना कम ऊर्जा का उपयोग करके क्वांटम कार्य कर सकता है। परिणामस्वरूप, यह बहुत कम गर्मी उत्पन्न करता है, जिससे इसे अधिक चिप्स के साथ जोड़कर अधिक शक्तिशाली डिवाइस बनाए जा सकते हैं।

वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग: सेंसरिंग और नेटवर्किंग

इस तकनीक के कई अनुप्रयोग हैं। स्पष्ट उपयोग भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर डिज़ाइन को समर्थन देना होगा। ये हाई-परफ़ॉर्मेंस चिप्स इतनी छोटी हैं कि उन्हें कसकर एक साथ पैक किया जा सकता है और ऊर्जा-कुशल हैं, जिससे इस कॉन्फ़िगरेशन में ओवरहीटिंग की चिंता नहीं होती।

क्वांटम सेंसरिंग

क्वांटम सेंसर पारंपरिक सेंसरों की तुलना में बहुत अधिक सटीकता प्रदान करते हैं। वे सुपरपोज़िशन, एंटैंगलमेंट और स्क्वीज़िंग का उपयोग करके यह कार्य करते हैं। ये क्रियाएँ डिवाइस को चुंबकीय क्षेत्रों, गुरुत्वाकर्षण, समय, तापमान आदि में परिवर्तन को सटीक रूप से मापने की अनुमति देती हैं। ये चिप्स इन सेंसरों को अधिक किफायती बनाने में मदद कर सकते हैं।

क्वांटम नेटवर्किंग

एक अन्य प्रमुख अनुप्रयोग क्वांटम नेटवर्किंग है। यह तकनीक एंटैंगलमेंट का उपयोग करके उच्च ट्रांसमिशन दरों पर डेटा संचारित करती है। विशेष रूप से, यह क्वांटम बेल पेयर्स और टेलीपोर्टेशन का उपयोग करके स्थितियों को क्लोन किए बिना स्थानांतरित करती है। इस तकनीक का लक्ष्य एक दिन क्वांटम इंटरनेट के लिए बुनियादी ढांचा बनाना है।

व्यावसायीकरण की राह: 7-10 साल का रोडमैप

इस तकनीक को सार्वजनिक रूप से उपलब्ध होने में लगभग 7-10 साल लगेंगे। महत्वपूर्ण रूप से, यह निर्माण तकनीक क्वांटम तकनीकों के अपनाने को बढ़ावा देने में एक प्रमुख कारक होगी, लेकिन पहले इसे परिपूर्ण करना आवश्यक है। हालांकि, सही निर्माता के साथ साझेदारी करने के बाद, कम लागत वाली रणनीति आगे के एकीकरण और अपनाने का समर्थन करेगी।

शोध टीम और फंडिंग

कोलोराडो विश्वविद्यालय, बॉल्डर ने फोटोनिक चिप्स अध्ययन की मेजबानी की, जिसमें सैंडिया नेशनल लैबोरेटरीज़ की भागीदारी थी। विशेष रूप से, निल्स टी. ओटरस्ट्रॉम, मैट आइचेनफ़ील्ड, जैकब एम. फ्रीडमैन, मैथ्यू जे. स्टोरे, डैनियल डोमिंगेज़, एंड्रयू लीन्हीर, और सेबेस्टियन मैग्री ने इस कार्य में योगदान दिया।

इस अध्ययन को यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी से क्वांटम सिस्टम्स एक्सेलेरेटर प्रोग्राम के माध्यम से वित्तीय और सामग्री समर्थन मिला, जिसे नेशनल क्वांटम इनिशिएटिव साइंस रिसर्च सेंटर द्वारा होस्ट किया गया है।

भविष्य के शोध लक्ष्य

अब टीम अपने लक्ष्य को पार करने वाले एकीकृत फोटोनिक सर्किट बनाने की दिशा में आगे बढ़ेगी। समूह अपने चिप फ़्रीक्वेंसी जेनरेशन और फ़िल्टरिंग क्षमताओं को बढ़ाने के साथ-साथ पल्प शैपिंग दृष्टिकोण को सुधारने की कोशिश कर रहा है, ताकि प्रदर्शन और बेहतर हो सके।

इसके अलावा, इंजीनियर रणनीतिक साझेदारों की तलाश करेंगे जो उनके निर्माण विधि को संचालन में लाने में मदद करेंगे। इस कदम में प्रमुख CMOS निर्माण साइटों से संपर्क करना और इस नई चिप डिज़ाइन के लिए उनके प्लांट का एक हिस्सा सुरक्षित करना शामिल है।

देखने योग्य शीर्ष क्वांटम कंप्यूटिंग स्टॉक्स

क्वांटम कंप्यूटिंग सेक्टर लगातार विस्तार कर रहा है, और प्रतिस्पर्धा मासिक बढ़ रही है। आज के प्रमुख क्वांटम कंप्यूटर डिज़ाइनर, चिप निर्माता और प्रोग्रामर इस तकनीक को नई ऊँचाइयों तक ले जा रहे हैं, जिससे कंप्यूटेशनल पावर में नवाचारों के द्वार खुलते हैं। यहाँ एक कंपनी है जो इस क्रांति के अग्रभाग में बनी हुई है।

IonQ (IONQ): ट्रैप्ड-आयन सिस्टम में एक नेता

IonQ (IONQ ) ने 2015 में क्वांटम तकनीक को आगे बढ़ाने के लिए लॉन्च किया। कंपनी की स्थापना दो क्वांटम कंप्यूटिंग विशेषज्ञों, क्रिस्टोफर मोनरो और डॉ. जंगसांग किम ने की थी। विशेष रूप से, मोनरो क्वांटम अध्ययन में महत्वपूर्ण रहे हैं और उद्योग में एक पायनियर माने जाते हैं।

IonQ ने तकनीक में नवाचार करने में मदद की है, जिसमें डॉयच-जोसा एल्गोरिद्म चलाने वाला पहला ऑपरेशनल 5 इटरबियम आयन चिप बनाना शामिल है। इसने पहला व्यावसायिक ट्रैप्ड-आयन QCaaS भी लॉन्च किया। इन विकासों ने कंपनी को सफलतापूर्वक $636M सुरक्षित करने में मदद की।

वर्तमान में, कंपनी कई हाई-लेवल क्वांटम उत्पाद प्रदान करती है, जिसमें उनका Aria 32-क्यूबिट रैक माउंट सिस्टम शामिल है। अतिरिक्त रूप से, कंपनी ने AWS/Azure/Google Cloud और अन्य प्रमुख क्लाउड प्रदाताओं के साथ रणनीतिक साझेदारियाँ सुरक्षित की हैं।

जो लोग वर्षों के अनुभव वाली विश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटिंग प्रदाता की तलाश में हैं, उन्हें IonQ के बारे में अधिक शोध करने पर विचार करना चाहिए। कंपनी का वर्तमान मार्केट कैप $16.3B है। विशेष रूप से, इसके स्टॉक ने हाल ही में कुछ अस्थिरता देखी है, जिसमें उच्च $84.64 और न्यूनतम $17.88 रहा है।

IonQ (IONQ) स्टॉक की नवीनतम खबरें और प्रदर्शन

निष्कर्ष

फोटोनिक चिप्स को बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के तरीके को सफलतापूर्वक विकसित करने का महत्व कम नहीं आंका जा सकता। यह तकनीक क्वांटम कंप्यूटिंग के विस्तार की रीढ़ है और इसे सार्वजनिक रूप से सुलभ होने से पहले परिपूर्ण किया जाना आवश्यक है। यह नवीनतम विकास क्वांटम डिवाइस बनाने की लागत को कम करने की संभावना रखता है, जिससे भविष्य में बाजार में चिप्स की स्थिर आपूर्ति सुनिश्चित होगी।

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संदर्भ

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). दृश्यमान प्रकाश में गीगाहर्ट्ज-फ़्रीक्वेंसी अकौस्टो-ऑप्टिक फ़ेज़ मॉड्यूलेशन एक CMOS-निर्मित फोटोनिक सर्किट में। Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}