कम्प्यूटिंग
स्केलेबल सिलिकॉन डिज़ाइन के साथ क्वांटम चिप्स वास्तविकता के करीब
Diraq शोधकर्ताओं ने एक व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य उच्च-विश्वसनीयता क्वांटम बिट को बड़े पैमाने पर निर्माण विधि के साथ प्रस्तुत किया है जो कंप्यूटिंग क्षेत्र में क्रांति ला सकता है। यह सिद्धांत प्रमाण पारंपरिक निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करता है जो दशकों से विश्वसनीय, बड़े पैमाने पर, त्रुटि‑सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटर चिप्स प्रदान करने के लिए उपयोग में लाई गई हैं, जो अधिकतम सटीकता बनाए रखते हैं। यहाँ वह सब कुछ है जो आपको जानना चाहिए।
सस्ती क्वांटम कंप्यूटरों की मांग में वृद्धि हो रही है
क्वांटम कंप्यूटिंग सेवाओं और विशेषज्ञों की मांग लगातार बढ़ रही है। हालिया रिपोर्ट के अनुसार, कंपनियों ने पिछले वर्ष क्वांटम सेवाओं पर पहले ही $2.35 बिलियन खर्च किए हैं। इसके अलावा, इस क्षेत्र में भर्ती में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है, जहाँ LinkedIn आँकड़े दर्शाते हैं कि 2020 से 2024 के बीच क्वांटम पेशेवरों की तलाश करने वाली कंपनियों में 180% की वृद्धि हुई है।
क्वांटम कंप्यूटिंग की मांग में वृद्धि के कई कारण हैं। उनमें से एक कारण सैन्य अनुप्रयोग हैं। विश्व भर में, सेनाओं ने प्रतिस्पर्धियों पर प्रतिस्पर्धात्मक लाभ प्राप्त करने की आशा में महत्वपूर्ण निधि निवेश की है।
क्वांटम बेंचमार्किंग पहल
संयुक्त राज्य अमेरिका की रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी (DARPA) वर्तमान में क्वांटम बेंचमार्किंग पहल की मेजबानी कर रही है। इस परियोजना का लक्ष्य यह निर्धारित करना है कि क्या क्वांटम कंप्यूटिंग चिप्स को स्केल किया जा सकता है और उन्हें उनके वर्तमान डिज़ाइन से अधिक टिकाऊ बनाया जा सकता है, जिसका क्वांटम अवस्था नाज़ुक है।
इस कार्य को पूरा करने के लिए, 18 कंपनियों का चयन किया गया है जो क्वांटम कंप्यूटिंग क्षेत्र में उपयोगी स्केल हासिल करने के लिए एक‑दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करेंगी। उपयोगी स्केल वह शब्द है जो क्वांटम कंप्यूटिंग की उन समस्याओं को हल करने की क्षमता को दर्शाता है जो आज के सुपरकंप्यूटरों से बहुत आगे हैं।
इस कार्य के लिए उच्च-विश्वसनीयता आवश्यकताओं को पूरा करने हेतु वास्तविक‑समय त्रुटि सुधार की आवश्यकता होगी। विश्वसनीयता (Fidelity) चिप की सटीकता को दर्शाती है। इंजीनियरों को एक ऐसी क्वांटम चिप बनानी होगी जो विशाल मात्रा में जानकारी को संग्रहीत और एक्सेस कर सके, जबकि नाज़ुक क्वांटम अवस्था में 100 से अधिक क्यूबिट्स को विश्वसनीय रूप से बनाए रखे।
सिलिकॉन‑आधारित क्वांटम चिप्स
क्वांटम हार्डवेयर बनाने के लिए कई विभिन्न प्रकार के क्वांटम चिप डिज़ाइन उपयोग किए गए हैं। हालांकि, सिलिकॉन‑आधारित क्वांटम चिप्स का परिचय महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है।
पहले, वे पारंपरिक चिप्स के लिए पहले से मौजूद अरबों डॉलर की बुनियादी ढांचा और निर्माण रणनीतियों का उपयोग कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, ये चिप्स एक ही चिप पर लाखों क्यूबिट्स को समायोजित कर सकते हैं। ये क्यूबिट्स सटीक रूप से स्थित होते हैं जिससे कुशल क्वांटम कंप्यूटिंग संभव होती है।
अगले कदम
सिलिकॉन स्पिन‑क्यूबिट तकनीक की संभावनाओं को पहचानते हुए, इंजीनियरों ने इन चिप डिज़ाइनों को सुधारने के तरीकों की खोज की है। उनके शोध में व्यापक प्रयोगशाला परीक्षण शामिल रहे हैं। प्रयोगशाला परिणाम सटीक साबित हुए हैं। हालांकि, अब तक यह जांचने का कोई प्रयास नहीं किया गया है कि क्या पारंपरिक औद्योगिक‑स्तर की निर्माण विधियों का उपयोग करके समान स्तर की सटीकता हासिल की जा सकती है।
स्रोत – Nature
इस कार्य को पूरा करने के लिए, इंजीनियरों को कई सामग्री चुनौतियों को पार करना होगा। उनके डिज़ाइन को चार्ज शोर और स्थैतिक विकृति के कारण उत्पन्न हस्तक्षेप को ध्यान में रखना पड़ेगा। ये समस्याएँ सिलिकॉन चिप डिज़ाइनों में पाए जाने वाले इंटरफ़ेस और ऑक्साइड में दोषों और ट्रैप्स के कारण उत्पन्न होती हैं।
वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन
हालिया ‘Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹’ अध्ययन, जो 24 सितंबर को Nature में प्रकाशित हुआ, स्केलेबल क्वांटम चिप्स प्राप्त करने के लिए जिम्मेदार महत्वपूर्ण मेट्रिक्स पर मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।
यह वास्तविक‑समय निगरानी क्षमताओं और क्वांटम त्रुटियों को सुधारने की क्षमता के बीच संबंध स्थापित करता है। विशेष रूप से, विद्युत शोर और हॉल बार ट्रांसपोर्ट के बीच सहसंबंधों को उजागर करता है। इस कार्य के हिस्से के रूप में, Diraq ने एक नया चिप डिज़ाइन मॉडलिंग सॉफ़्टवेयर तैयार किया।
उन्होंने चिप निर्माण कंपनी imec के साथ साझेदारी की, जो डिवाइस के अंतिम निर्माण के लिए जिम्मेदार थी। इसके बाद, टीम ने सिलिकॉन वेफ़र और पारंपरिक CMOS ज्यामिति का उपयोग करके कई डिज़ाइन बनाए।
मानक टूलिंग
इंजीनियरों ने कई दो‑क्यूबिट डिवाइस चुने जो प्लेनर मेटल‑ऑक्साइड‑सेमिकंडक्टर के साथ पॉलीसिलिकॉन गेट्स का उपयोग करते थे। ये डिवाइस 300‑mm फ़ाउंड्री वातावरण में मानक अर्धचालक टूलिंग का उपयोग करके बनाए गए। विशेष रूप से, उपयोग की गई आर्किटेक्चर में एक डबल क्वांटम डॉट और एक सिंगल‑इलेक्ट्रॉन ट्रांज़िस्टर (SET) शामिल था, जो वास्तविक‑समय स्पिन रीड‑आउट प्रदान करता था।
विशेष रूप से, डिवाइस के प्लंजर गेट इलेक्ट्रोड्स के नीचे स्थित डबल डॉट में चार इलेक्ट्रॉन टनल कप्लिंग को नियंत्रित करने और शोर विश्लेषण प्रदान करने में सक्षम बनाते हैं। इसके बाद, पूरे यूनिट को 3He/4He डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर में रखा गया, जिसे अलग मोड में 10 mK के आधार तापमान पर सेट किया गया।
नए क्वांटम चिप डिज़ाइन का परीक्षण
अपने निर्माण का परीक्षण करने के लिए, टीम ने डिवाइस को UNSW अनुसंधान प्रयोगशाला में निर्मित कई प्रयोगात्मक स्थितियों के तहत रखा। पहला कदम चिप की प्राथमिक क्यूबिट कार्यक्षमता का मूल्यांकन करना था। इस परीक्षण में एक‑क्यूबिट और दो‑क्यूबिट गेट्स दोनों का परीक्षण और त्रुटि दरों का पंजीकरण शामिल था।
विशेष रूप से, टीम ने अत्याधुनिक गेट सेट टोमोग्राफी (GST) टूल का उपयोग करके वास्तविक‑समय में क्वांटम अवस्था पर मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्राप्त की। इस दृष्टिकोण ने उन्हें क्रॉस‑टॉक जैसे हस्तक्षेप कारकों और स्टोकेस्टिक व कोहेरेंट त्रुटियों के बीच विभाजन को निर्धारित करने में सक्षम बनाया।
चार डिज़ाइनों का दस्तावेज़ीकरण करने के बाद, उन्होंने अतिरिक्त 16 विकल्पों पर क्रायो‑प्रोबिंग माप किए। प्रत्येक चिप का आकार और आर्किटेक्चर थोड़ा अलग था, जिससे टीम को यह समझने में मदद मिली कि उनका डिज़ाइन डिवाइस गेट इलेक्ट्रोड्स पर समान इलेक्ट्रोस्टैटिक नियंत्रण कैसे प्रदान करता है।
वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन परीक्षण परिणाम
परीक्षण परिणामों ने दिखाया कि अवधारणा सफल रही। टीम ने पारंपरिक अर्धचालक फ़ाउंड्रीज़ का उपयोग करके 300‑mm वेफ़र पर क्यूबिट्स के उच्च प्रदर्शन को प्रदर्शित किया। उनके डेटा से पता चलता है कि चिप ने ठीक वैसा ही प्रदर्शन किया जैसा भविष्यवाणी किया गया था। एक‑क्यूबिट और दो‑क्यूबिट नियंत्रण सुविधाओं दोनों में, इसने सभी चार डिवाइसों में 99% से अधिक सटीकता हासिल की।
इस परीक्षण के परिणाम दर्शाते हैं कि Diraq की सिलिकॉन क्वांटम चिप को पारंपरिक CMOS रणनीतियों का उपयोग करके सफलतापूर्वक बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है। यह खोज अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटिंग डिवाइसों के वृहद‑स्तर उत्पादन के लिए द्वार खोलती है।
वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन के लाभ
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| मेट्रिक | परिणाम | महत्व |
|---|---|---|
| सटीकता | 99%+ | वृहद‑उत्पादित चिप्स में विश्व‑स्तरीय सटीकता |
| चिप आकार | 300-mm wafer | मौजूदा अर्धचालक फ़ाउंड्रीज़ के साथ संगत |
| परीक्षण उपकरण | 20+ डिज़ाइन का मूल्यांकन किया गया | कई आर्किटेक्चर में सत्यापित |
| समय‑सीमा | 7–10 years | सस्ती क्वांटम‑संचालित डिवाइस के लिए अनुमानित |
इस अध्ययन के कई लाभ उद्योग को प्रदान किए गए हैं। पहला, इसने वृहद‑स्तर क्वांटम कंप्यूटिंग निर्माण रणनीतियों की तकनीकी सीमाओं को पार करने के लिए मूल्यवान वैज्ञानिक ज्ञान प्रदान किया। इसने भविष्य में क्वांटम चिप्स को बड़े पैमाने पर उत्पादन में एकीकृत करने का तरीका भी दिखाया।
सटीकता
सबसे बड़े खोजों में से एक यह है कि फ़ाउंड्री प्रक्रिया ने क्वांटम चिप्स की सटीकता या विश्वसनीयता को कम नहीं किया। वास्तव में यह दिखाया गया कि सिलिकॉन‑आधारित क्वांटम चिप्स अत्याधुनिक स्पिन‑क्यूबिट रणनीतियों और वास्तविक‑समय त्रुटि सुधार के साथ निर्मित होने पर विश्व‑स्तरीय सटीकता बनाए रख सकते हैं।
वृहद उत्पादन
अध्ययन का मुख्य लक्ष्य यह प्रदर्शित करना था कि सिलिकॉन‑आधारित क्वांटम कंप्यूटर परिपक्व अर्धचालक उद्योग का उपयोग कर सकते हैं। इंजीनियरों ने इस लक्ष्य को सफलतापूर्वक हासिल किया, जिससे इन चिप्स के वृहद‑स्तर अपनाने के द्वार खुले हैं।
वास्तविक‑विश्व अनुप्रयोग और समय‑सीमा
इस अध्ययन के कई अनुप्रयोग हैं। पहला, यह विश्वसनीय सिलिकॉन क्वांटम चिप्स के वृहद‑स्तर उत्पादन के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करने में मदद करेगा। ये डिवाइस कई हाई‑टेक उद्योगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे, जिनमें AI, एयरोस्पेस, मेडिकल, जलवायु मॉडलिंग और कई अन्य शामिल हैं।
वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन समय‑सीमा
आपके स्थानीय कंप्यूटर स्टोर में सस्ती दर पर क्वांटम‑संचालित डिवाइस देखने में 7‑10 वर्ष लगेंगे। हालांकि, यह कार्य अगले दशक में उचित मूल्य वाले क्वांटम‑संचालित कंप्यूटरों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।
वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन शोधकर्ता
वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन को सफल बनाने के लिए, Diraq, जो UNSW सिडनी की नैनो‑टेक स्टार्ट‑अप है, ने यूरोपीय नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान Interuniversity Microelectronics Centre (imec) के साथ सहयोग किया। विशेष रूप से, Diraq ने पहले अपने लैब में CMOS प्रक्रियाओं का उपयोग करके क्यूबिट्स बनाते हुए सिलिकॉन चिप डिज़ाइन का अनावरण किया था।
इस कदम ने टीम को तकनीक को और आगे बढ़ाने के लिए प्रेरित किया, जिससे वृहद‑स्तर निर्माण विधियों को लागू किया जा सके। यह मूलभूत उपलब्धि सिलिकॉन‑आधारित क्वांटम चिप्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन के द्वार खोलती है, जिन्हें परिवहन से लेकर मेडिकल डिवाइस तक सभी में उपयोग किया जा सकता है।
भविष्य के अनुसंधान दिशा‑निर्देश
अपनी योजनाओं पर टिप्पणी करते हुए, इंजीनियर बड़े कॉन्फ़िगरेशन और उच्च इलेक्ट्रॉन आवासों की आगे जांच करने की योजना बना रहे हैं। उनका लक्ष्य देखे गए त्रुटि तंत्रों के भौतिक मूल को बेहतर समझना और ऐसे मॉडल बनाना है जो इन घटनाओं की सटीक भविष्यवाणी और रोकथाम कर सकें। यदि सफल रहे, तो यह कार्य क्षेत्र में और भी उच्च प्रदर्शन के लिए स्पष्ट मार्ग प्रदान करेगा।
क्वांटम कंप्यूटिंग में निवेश
कई क्वांटम कंप्यूटर डेवलपर विश्व स्तर पर कार्यरत हैं। ये कंपनियां निरंतर अनुसंधान एवं विकास में निवेश करके निर्माण लागत को कम करने के द्वारा कंप्यूटिंग की सीमाओं को आगे बढ़ा रही हैं। यहाँ एक कंपनी है जो बाजार में अग्रणी भावना बनाए रखती है और उद्योग में नेता के रूप में मान्यता प्राप्त है।
Rigetti Computing
Rigetti Computing ने 2013 में बाजार में प्रवेश किया। यह कैलिफ़ोर्निया में स्थित है और इसे भौतिक विज्ञानी Chad Rigetti ने स्थापित किया। Rigetti Computing का मूल फोकस सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स बनाना और बनाए रखना था। इस दृष्टिकोण में पूर्ण‑स्टैक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम सिस्टम और अन्य आवश्यक हार्डवेयर बनाना शामिल था।
विशेष रूप से, Rigetti Computing हमेशा बाजार में एक अग्रणी भावना रही है। उदाहरण के लिए, इसने 2016 में पहला क्वांटम प्रोसेसर प्रस्तुत किया। यह 3‑क्यूबिट चिप भविष्य के नवाचारों के द्वार खोलता है, जिसमें Forest क्वांटम प्रोग्रामिंग वातावरण का रिलीज़ शामिल है, जिसने एल्गोरिदम विकास को प्रोत्साहित किया।
(RGTI )
2017 में, Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) ने लॉन्च किया, जिससे एंटरप्राइज़‑स्तर पर शक्तिशाली क्वांटम चिप्स तक पहुंच संभव हुई। उसी वर्ष कैलिफ़ोर्निया के Fremont में नई फ़ाउंड्री खोलने के साथ यह कदम तुरंत आया। इन कदमों ने कंपनी की स्थिति और निर्माण क्षमताओं को सुदृढ़ किया।
2024 में, Rigetti Computing ने अपने 32‑क्यूबिट प्रोसेसर प्रदर्शित किए। इस कदम के बाद AWS के साथ एक रणनीतिक साझेदारी हुई। इन सभी कदमों ने Rigetti Computing की बाजार स्थिति और उपभोक्ता विश्वास को मजबूत किया। इसलिए, आज इसे क्वांटम कंप्यूटिंग क्षेत्र में एक्सपोज़र प्राप्त करने का एक उत्कृष्ट तरीका माना जाता है।
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वृहद‑स्तर क्वांटम चिप निर्माण अध्ययन | निष्कर्ष
सिलिकॉन क्वांटम चिप्स बनाना जो परिपक्व अर्धचालक उद्योग का उपयोग कर सकते हैं, सभी के लिए जीत है, इसके कई कारण हैं। पहला, यह लागत में कमी और आगे के अनुसंधान को प्रेरित करेगा। साथ ही, यह भविष्य में अधिक तकनीकी नवाचार को प्रेरित करेगा।
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संदर्भ
1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). उद्योग‑संगत सिलिकॉन स्पिन‑क्यूबिट यूनिट सेल्स जो 99% से अधिक विश्वसनीयता प्रदान करते हैं। Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9
