क्वांटम चिप माइलस्टोन भविष्य की कंप्यूटिंग के लिए उत्साह को बढ़ाता है

एक नया क्वांटम कंप्यूटिंग माइलस्टोन

Quantum computing, एआई के साथ, तकनीकी उद्योग के लिए एक नया क्षितिज है। यह इसलिए है क्योंकि, अन्य गैर-सिलिकॉन कंप्यूटिंग तकनीकें, जैसे ग्रेफीन, फोटॉनिक्स, या यहां तक कि जैविक ऑर्गेनॉइड्स, क्वांटम कंप्यूटिंग गणनाएँ एक पूरी नई विधि से करती है।

यह क्वांटम प्रभावों का उपयोग करके करता है, जहाँ गणना 0 और 1 (बाइनरी बिट) से नहीं, बल्कि क्यूबिट्स से की जाती है, जहाँ कण डेटा एक साथ 0 और 1, या 1, या 0 हो सकता है। ये विभिन्न विधियाँ कुछ गणितीय समस्याओं के लिए क्वांटम कंप्यूटरों को सामान्य कंप्यूटरों की तुलना में अत्यधिक अधिक कुशल बना देती हैं।

और यही वह बात है जिसे गूगल ने अभी अभी प्रदर्शित किया है: उसने एक नया चिप प्रस्तुत किया है जो पाँच मिनट में ऐसी समस्या को हल कर लेता है, जिसे वर्तमान में दुनिया के सबसे तेज़ सुपरकम्प्यूटरों को दस सेप्टिलियन – या 10,000,000,000,000,000,000,000,000 वर्ष – लगेंगे।

इस उल्लेखनीय प्रदर्शन के अलावा, यह संभवतः पहला क्वांटम कंप्यूटर चिप भी हो सकता है जिसके पास उपयोगी गणनाओं के लिए स्केलेबल और विश्वसनीय होने की उचित संभावना हो। परिणाम शीर्ष वैज्ञानिक प्रकाशन नेचर में प्रकाशित हुए, शीर्षक के साथ “सतह कोड थ्रेशोल्ड के नीचे क्वांटम त्रुटि सुधार“.

Willow से मिलें

विचाराधीन गूगल क्वांटम कंप्यूटिंग चिप को Willow कहा जाता है।

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यह गूगल द्वारा विकसित क्रमशः अधिक शक्तिशाली क्वांटम चिप्स की श्रृंखला का अंतिम संस्करण है, जिसे Foxtail, Bristlecone, और Sycamore कहा जाता है।

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Willow के प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए, रैंडम सर्किट सैंपलिंग (RCS) बेंचमार्क का उपयोग किया गया ताकि इसे सामान्य सुपरकम्प्यूटर से तुलना की जा सके। यह तकनीक Sycamore के प्रदर्शन को मापने के लिए बनाई गई थी, जो क्लासिकल कंप्यूटर का उपयोग करके समान मात्रा प्राप्त करने के लिए आवश्यक क्यूबिट्स की संख्या का मूल्यांकन करती है।

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स्केलेबिलिटी अंततः पहुँच में

क्वांटम कंप्यूटिंग की अब तक की एक प्रमुख सीमा यह है कि क्यूबिट्स अत्यंत नाज़ुक होते हैं। यह इसलिए है क्योंकि क्वांटम स्थितियाँ बहुत कम समय तक रहती हैं, और पर्यावरण से आने वाले हस्तक्षेप क्वांटम गणना के लिए आवश्यक स्थितियों को अस्थिर कर देते हैं।

इसी कारण सभी वर्तमान क्वांटम कंप्यूटर अल्ट्रा-कोल्ड स्थितियों का उपयोग करते हैं और सुपरकंडक्टिंग सामग्री की आवश्यकता होती है। इससे न केवल जटिलता और लागत बढ़ती है, बल्कि विश्वसनीय रूप से उपयोग करना भी बहुत कठिन हो जाता है।

“एक क्वांटम कंप्यूटर को उपयोगी गणनाएँ करने के लिए, “आपको क्वांटम सूचना चाहिए, और आपको इसे पर्यावरण से — और खुद से, जब हम इस पर हेरफेर करते हैं — बचाना होगा।”

Julian Kelly -Google में क्वांटम-हार्डवेयर विभाग के प्रमुख भौतिक विज्ञानी

समस्या में यह जोड़ते हुए, अब तक जितने अधिक क्यूबिट्स किसी प्रणाली में होते हैं, त्रुटि उतनी ही अधिक होती है, और कोई भी अस्थिरता डोमिनो प्रभाव पैदा करती है। इसलिए जितने अधिक क्यूबिट्स, उतनी अधिक त्रुटि, जब तक कि अधिक कंप्यूटिंग शक्ति जोड़ने से वास्तव में कुल प्रदर्शन घटने न लगे।

और शायद इसकी गणना क्षमता से भी अधिक, यही वह जगह है जहाँ Willow एक वास्तविक प्रगति है।

आप Willow के सटीक प्रदर्शन के बारे में अधिक सीधे गूगल के समर्पित वीडियो प्रस्तुति में देख सकते हैं:

त्रुटि सुधार

गूगल के लिए मूलभूत कदम तथाकथित त्रुटि सुधार पर काम करना रहा है। विचार यह है कि किसी क्वांटम कंप्यूटर में कुछ क्यूबिट्स दूसरों की तुलना में अधिक विश्वसनीय होंगे।

इसलिए, आउट्लायर/कम प्रदर्शन करने वाले क्यूबिट्स को पुनः कॉन्फ़िगर किया जा सकता है ताकि वे चिप के बाकी हिस्सों की तरह कार्य करें।

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और सुधार कैलिब्रेशन विधि को बेहतर बनाकर हासिल किया जा सकता है, जिससे सभी क्यूबिट्स पर सॉफ़्टवेयर सुधार के माध्यम से त्रुटियों को न्यूनतम किया जा सके।

क्वांटम त्रुटि सुधार थ्रेशोल्ड

यह थ्रेशोल्ड क्वांटम कंप्यूटिंग वैज्ञानिकों का बहुत समय से खोजा गया लक्ष्य है। यह वह बिंदु है जहाँ त्रुटि दर इतनी कम होती है कि जितने अधिक क्यूबिट आप जोड़ते हैं, उतनी ही कम त्रुटि प्राप्त होती है। यह लंबे समय से सिद्धांत था लेकिन पहली बार Willow के साथ हासिल किया गया।

हमने भौतिक क्यूबिट्स की लगातार बड़ी एरेज़ का परीक्षण किया, 3×3 एन्कोडेड क्यूबिट्स के ग्रिड से शुरू करके, 5×5 ग्रिड, फिर 7×7 ग्रिड — और हर बार, क्वांटम त्रुटि सुधार में हमारी नवीनतम प्रगति का उपयोग करके, हमने त्रुटि दर को आधा कर दिया।

Google क्वांटम कंप्यूटिंग विभाग

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मूल रूप से, एक-दूसरे पर जमा होने के बजाय जब तक कि वे ढह न जाएँ, अब त्रुटियाँ इतनी दुर्लभ हैं कि अतिरिक्त कंप्यूटिंग शक्ति से उन्हें सुधारा जा सकता है, जिससे पूरे सिस्टम की विश्वसनीयता बढ़ती है।

गूगल के लिए इस प्रगति को हासिल करने का एक प्रमुख कारक एक विशिष्ट क्यूबिट प्रदर्शन में क्रांतिकारी सुधार था, जिसे “क्यूबिट कोहेरेंस टाइम” कहा जाता है। यह वह समय है जब क्यूबिट अपनी कोहेरेंस स्थिति बनाए रख सकता है, जो क्वांटम गणना करने की पूर्वशर्त है।

Willow ने 100 माइक्रोसेकंड कोहेरेंस स्थिति हासिल की, जो 2019 के Sycamore के केवल 20 माइक्रोसेकंड से बढ़ी है।

यह एक महत्वपूर्ण डेटा बिंदु है, क्योंकि कोहेरेंस स्थिति में सुधार सीधे एक्सपोनेंशियल रूप से अधिक विश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटरों की ओर ले जाता है, जिसे वर्तमान क्वांटम मोर्स लॉ कहा जा सकता है, जिसने “सामान्य” कंप्यूटरों में निरंतर सुधार को प्रेरित किया है।

इस थ्रेशोल्ड के नीचे पहला सिस्टम होने के नाते, यह अब तक निर्मित सबसे विश्वसनीय प्रोटोटाइप है जो स्केलेबल लॉजिकल क्यूबिट के लिए है। यह एक मजबूत संकेत है कि उपयोगी, बहुत बड़े क्वांटम कंप्यूटर वास्तव में बनाए जा सकते हैं। Willow हमें व्यावहारिक, व्यावसायिक रूप से प्रासंगिक एल्गोरिदम चलाने के करीब लाता है, जिन्हें पारंपरिक कंप्यूटरों पर दोहराया नहीं जा सकता।

Google क्वांटम कंप्यूटिंग विभाग

इन सबका संभव होना गूगल के अपने सुपरकंडक्टिंग क्वांटम चिप्स निर्माण सुविधा में दीर्घकालिक निवेश के कारण था।

भौतिक से लॉजिकल क्यूबिट तक

किसी भी उपयोगी गणना के लिए, क्वांटम कंप्यूटिंग को लॉजिकल क्यूबिट्स का उपयोग करना आवश्यक है, जो भौतिक चिप द्वारा निर्मित वास्तविक गणना इकाई है।

Willow की त्रुटि दर के साथ, प्रत्येक लॉजिकल क्यूबिट लगभग 1,000 भौतिक क्यूबिट्स से बना होने की उम्मीद है। त्रुटि सुधार में आगे सुधार इसे 200 भौतिक क्यूबिट्स तक भी घटा सकता है।

वर्तमान में, Willow की क्षमता 105 क्यूबिट्स की है।

आगे के कदम

इस प्रगति के साथ, स्थिर, विश्वसनीय और स्केलेबल लॉजिकल क्यूबिट बनाने का दृष्टिकोण अब पहुँच में है। विशेष रूप से क्योंकि अब भौतिक क्यूबिट जोड़ने से त्रुटि दर एक्सपोनेंशियल रूप से घटती है, न कि बढ़ती।

संभवतः अगला कदम Willow के उत्तराधिकारी को अधिक क्यूबिट्स के साथ बनाना होगा, साथ ही त्रुटि सुधार तकनीक को भी बेहतर बनाना होगा। मिलकर, यह गूगल के अगले क्वांटम चिप डिज़ाइनों को एक पूर्ण लॉजिकल क्यूबिट बनाने के लिए पर्याप्त बना सकता है।

यह अभी भी एक और चुनौती छोड़ देगा, अर्थात लॉजिकल क्यूबिट्स को नेटवर्क में जोड़ना ताकि वे क्वांटम स्थितियों को साझा और विनिमय कर सकें।

केवल तब हम एक वास्तविक क्वांटम कंप्यूटर की बात कर पाएंगे जिसे नियमित रूप से उपयोग किया जा सके और, अधिक महत्वपूर्ण, इच्छानुसार स्केल किया जा सके।

हमने पहले कुछ तकनीकों और समानांतर प्रगति पर चर्चा की थी जो क्वांटम कंप्यूटिंग के प्रदर्शन और वास्तुकला को क्यूबिट्स में सुधार से आगे बढ़ा सकती हैं, उदाहरण के लिए:

• नैनोमैकेनिकल रेजोनेटर्स, क्यूबिट्स को अस्थिर किए बिना क्वांटम स्थिति को बेहतर मापने के लिए।
• Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator, क्यूबिट्स के 0 और 1 स्थितियों के सुपरपोज़ से आगे बढ़ने और निरंतर-चर (CV) क्वांटम कंप्यूटिंग विकसित करने के लिए।
• बेहतर सुपरकंडक्टिंग सामग्री, क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम की स्थिरता को सुधारने के लिए।

समग्र रूप से, गूगल की प्रगति वास्तव में क्रांतिकारी है और क्वांटम कंप्यूटिंग की संभावनाओं में एक मूलभूत विकास है, जिसमें स्केलेबल वाणिज्यिक कंप्यूटर के लिए पहली बार वास्तविक लक्ष्य स्थापित किया गया है।

हालांकि, कंपनी के क्वांटम एआई लैब के प्रमुख, हार्टमुट नेवेन, हमें याद दिलाते हैं कि यह कल नहीं होगा:

“एक चिप जो व्यावसायिक अनुप्रयोग कर सके, वह दशक के अंत से पहले नहीं दिखाई देगी। प्रारंभ में, ये अनुप्रयोग उन प्रणालियों का सिमुलेशन होंगे जहाँ क्वांटम प्रभाव महत्वपूर्ण होते हैं।

उदाहरण के लिए, यह नाभिकीय संलयन रिएक्टरों के डिजाइन, दवाओं और फार्मास्यूटिकल विकास की कार्यप्रणाली को समझने, बेहतर कार बैटरियों के विकास और इसी तरह के कई कार्यों के लिए प्रासंगिक है।”

अनुप्रयोग

क्वांटम कंप्यूटिंग की संभावनाएँ विशाल हैं और लगभग हर वैज्ञानिक क्षेत्र में क्रांति ला सकती हैं। कुछ अनुप्रयोग विशेष रूप से प्रभावशाली हैं:

• जैव रासायनिक मॉडलिंग: प्रोटीन के 3D आकार को निर्धारित करने से लेकर जीन अभिव्यक्ति, जटिल जैविक अणुओं की गणना तक, यह बायोटेक्नोलॉजी अनुसंधान में क्रांति ला सकता है।
• जलवायु मॉडलिंग: जलवायु मॉडल अत्यंत जटिल होते हैं और वर्तमान सुपरकम्प्यूटरों की सीमाओं को चुनौती देते हैं। बेहतर जलवायु समझ, मॉडल में भौगोलिक और समय के finer स्केल के साथ, जलवायु परिवर्तन जोखिमों को समझने में मदद कर सकती है।
• सेमीकंडक्टर्स: क्वांटम कंप्यूटर सामान्य कंप्यूटर चिप्स को बहुत अधिक शक्तिशाली बना सकते हैं। “सामान्य” चिप्स अब नैनोमीटर स्केल पर पहुँच रही हैं, जहाँ क्वांटम घटनाएँ अधिक समस्याग्रस्त हो रही हैं, और इन्हें हल करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर आवश्यक हो सकते हैं।
• सामग्री विज्ञान: क्वांटम भौतिकी को बेहतर समझना और सामग्री की प्रतिक्रिया को व्यक्तिगत परमाणुओं तक देखना, एयरोस्पेस, बैटरियों, 3D प्रिंटिंग, निर्माण आदि में उपयोग होने वाली नई सामग्रियों के डिजाइन को खोल सकता है।
• क्रिप्टोग्राफी: क्वांटम कंप्यूटर संभावित रूप से सभी मौजूदा क्रिप्टोग्राफी विधियों को अप्रचलित बना सकते हैं। यह सैन्य, वित्तीय और आईटी सिस्टमों के लिए गंभीर चिंता है। लेकिन साथ ही, यह क्रिप्टोग्राफी को और अधिक सुरक्षित भी बना सकता है।

जोखिम

क्योंकि क्वांटम कंप्यूटिंग अत्यधिक शक्तिशाली है, इसके दुरुपयोग का गंभीर जोखिम भी है। सबसे बड़ा जोखिम क्रिप्टोग्राफी से संबंधित है।

Willow के बारे में गूगल की घोषणा के बाद, कई टिप्पणीकारों ने चर्चा की है कि सभी मौजूदा क्रिप्टोग्राफी को तोड़ने की संभावना बिटकॉइन जैसी क्रिप्टोकरेंसीज़ के लिए विनाशकारी होगी।

और सिद्धांत में, यह सत्य है। लेकिन यह एक संकीर्ण दृष्टिकोण वाला टिप्पणी है, जो बिटकॉइन के हालिया बुल रन पर प्रतिक्रिया से अधिक प्रेरित है, न कि बड़ी तस्वीर को देखता है। कंप्यूटर और डिजिटल सिस्टम की क्रिप्टोग्राफी को तोड़ना पूरी बैंकिंग और वित्तीय प्रणाली की सुरक्षा और विश्वसनीयता को भी तोड़ देगा, न कि केवल क्रिप्टो कॉइन्स को।

यह वैश्विक भू-राजनीतिक स्थिरता और सैन्य सुरक्षा के लिए भी विनाशकारी होगा, क्योंकि संचार से लेकर परमाणु लॉन्च कोड तक सब कुछ सुरक्षित एन्क्रिप्शन पर निर्भर करता है। पूरी तरह से टूटे एन्क्रिप्शन से विदेशी शक्तियों या दुष्ट अभिनेताओं को ऐसी सुरक्षा प्रणाली को पूरी तरह बिखराने की अनुमति मिल सकती है।

इसका मतलब यह नहीं है कि कोई समाधान नहीं है। उदाहरण के लिए, एप्पल ने फरवरी 2024 में घोषणा की कि iMessage चैट की सुरक्षा करने वाला एन्क्रिप्शन “क्वांटम-प्रूफ” बनाया जा रहा है ताकि भविष्य के शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों द्वारा इसे पढ़ा न जा सके। हम मान सकते हैं कि यदि एप्पल क्वांटम-प्रूफ एन्क्रिप्शन पर स्विच करता है, तो सबसे बड़े सैन्य बल और वित्तीय संस्थान भी ऐसा कर सकते हैं।

गूगल जैसे नेता के लिए भी एक व्यावसायिक क्वांटम कंप्यूटर बनने में कई वर्षों की समयसीमा को देखते हुए, हम विनाशकारी, निकटवर्ती जोखिम से बहुत दूर हैं।

क्वांटम कंप्यूटिंग कंपनी

जैसा कि आपने देखा, गूगल क्वांटम कंप्यूटिंग में बहुत सक्रिय है, मुख्यतः अपने Google क्वांटम एआई लैब और सैंटा बार्बरा में क्वांटम एआई कैंपस के माध्यम से।

गूगल का क्वांटम कंप्यूटर 2019 में इतिहास रच गया जब गूगल ने अपने Sycamore मशीन के साथ “क्वांटम सुप्रीमसी” हासिल करने का दावा किया, जिसने 200 सेकंड में ऐसी गणना की जो एक पारंपरिक सुपरकम्प्यूटर को 10,000 साल लेता।

यह, बेशक, अब Willow के प्रदर्शन के सामने छोटा पड़ गया है।

लेकिन शायद गूगल का सबसे बड़ा योगदान सॉफ़्टवेयर में होगा, एक क्षेत्र जहाँ इसका प्रभावशाली ट्रैक रिकॉर्ड है, वास्तव में हार्डवेयर (सर्च, G Suite, Android, आदि) से बेहतर है।

पहले से ही, गूगल का क्वांटम एआई वैज्ञानिकों को क्वांटम एल्गोरिदम विकसित करने में मदद करने के लिए सॉफ़्टवेयर का एक सूट उपलब्ध कराता है।

It also openly advocates for “शोधकर्ता, इंजीनियर, और डेवलपर्स को इस यात्रा में हमारे ओपन सोर्स सॉफ़्टवेयर और शैक्षिक संसाधनों, जिसमें हमारा Coursera पर नया कोर्स, जहाँ डेवलपर्स क्वांटम त्रुटि सुधार के मूलभूत सिद्धांत सीख सकते हैं और हमें ऐसे एल्गोरिदम बनाने में मदद कर सकते हैं जो भविष्य की समस्याओं को हल कर सकें।“

इस खुले दृष्टिकोण और अब हार्डवेयर में भी अग्रणी होने, साथ ही इसके क्लाउड समाधान के कारण, गूगल संभवतः उन कंपनियों में से एक हो सकता है जो क्वांटम कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर और क्वांटम प्रोग्रामिंग के मानक स्थापित कर रही हैं, जिससे भविष्य में इस क्षेत्र के विकास की दिशा निर्धारित करने के लिए एक विशेष स्थान मिलता है।

और इस बीच, एआई समाधान, जिसमें Waymo की स्वचालित ड्राइविंग कार शामिल है, Alphabet (GOOG ) के लिए नया राजस्व स्रोत बन सकते हैं, जो अभी भी खोज और विज्ञापन उद्योगों में अत्यधिक प्रमुख स्थिति रखता है।