में क्वांटम कंप्यूटर को व्यावहारिक बनाने के लिए दौड़वैज्ञानिकों ने खुद को भौतिकी में कुछ अजीब विचारों के लिए तैयार किया है। कुछ अजनबी हैं – लेकिन यह भी अधिक आशाजनक है – कणों का उपयोग करने की धारणा की तुलना में जो जानकारी को संग्रहीत करने और हेरफेर करने के लिए अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल्स हैं। यह मेजराना कणों के पीछे की अवधारणा है।

1930 के दशक में, इतालवी भौतिक विज्ञानी एटोर मेजराना ने एक कण का प्रस्ताव किया, जो इलेक्ट्रॉन या प्रोटॉन के विपरीत, अपने एंटीमैटर समकक्ष से अप्रभेद्य होगा। ज्यादातर मामलों में, पदार्थ और एंटीमैटर सटीक विपरीत हैं। यदि आप उन्हें एक साथ लाते हैं, तो वे ऊर्जा के एक फ्लैश में नष्ट हो जाते हैं। लेकिन एक मेजराना कण खुद का एक आदर्श दर्पण है: यदि आप इसे अंदर से बाहर करते हैं और हर चार्ज और संपत्ति को उलट देते हैं, तो आपको वही चीज़ मिलती है जो आपने शुरू की थी। यह इलेक्ट्रॉनों या प्रोटॉन के लिए सही नहीं है।

दशकों तक, यह समरूपता अकेले सिद्धांत का सामान लगती थी। उच्च-ऊर्जा भौतिकविदों ने कॉस्मिक किरणों और कण त्वरक में मेजराना की खोज की, लेकिन कुछ भी निर्णायक नहीं बताया। फिर, हाल ही में, संघनित पदार्थ भौतिकविदों को एक खामियां मिली: विशेष रूप से डिज़ाइन की गई सामग्रियों के अंदर कुछ “क्वासिपार्टिकल्स” मेजराना की तरह गणितीय रूप से व्यवहार करते हैं। ये quasiparticles प्रकृति के कैटलॉग से प्राथमिक कण नहीं हैं, लेकिन सामूहिक उत्तेजनाओं – जैसे कि एक इलेक्ट्रॉन सागर में लहर – जो समान असामान्य नियमों का पालन करते हैं। वे उभर सकते हैं, उदाहरण के लिए, एक चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव के तहत, छोटे सुपरकंडक्टिंग तारों के छोरों को निरपेक्ष शून्य के पास ठंडा किया जाता है।

तथ्य यह है कि ये मेजराना-जैसे मोड एक टेबलटॉप प्रयोग में मौजूद हो सकते हैं, जो क्वांटम कंप्यूटिंग समुदाय को विद्युतीकृत करता है। यह उत्साह इसलिए नहीं था क्योंकि वे दुर्लभ, सुंदर विषमताएं हैं (वास्तव में वे हैं) लेकिन इस संभावना के कारण कि वे क्वांटम कंप्यूटिंग की सबसे कठिन, सबसे जिद्दी समस्याओं में से एक को हल कर सकते हैं: क्वांटम जानकारी को स्थिर रखते हुए।

रक्षा की पहली पंक्ति

एक क्वांटम कंप्यूटर क्या है? एक क्विट, आपके लैपटॉप या स्मार्टफोन में बिट का क्वांटम एनालॉग, एक ही समय में ‘0’ और ‘1’ के एक सुपरपोजिशन, या एक मिश्रण में मौजूद हो सकता है। यह अजीब संपत्ति, कई qubits के बीच उलझाव के साथ, क्वांटम कंप्यूटर को उनकी संभावित शक्ति देता है। लेकिन एक क्विट का राज्य लगभग बेतुका नाजुक है। यदि कोई क्विट आसपास की दुनिया के साथ बातचीत करता है, जैसे कि कुछ आवारा गर्मी या प्रकाश कहते हैं, तो इसका सुपरपोजिशन “पतन” कर सकता है, क्विट को एक निश्चित 0 या 1 में मजबूर कर सकता है और इसे आयोजित जानकारी को मिटा देता है।

यह प्रक्रिया, जिसे डेकोहेरेंस कहा जाता है, अथक है। आज के सबसे उन्नत सुपरकंडक्टिंग क्वांटम चिप्स में, क्यूबिट्स डिकोहिंग से पहले मिलीसेकंड तक माइक्रोसेकंड तक रह सकते हैं। यह लंबे समय तक लग सकता है, लेकिन एक ऐसे कंप्यूटर के लिए जो अनुक्रम में हजारों या लाखों संचालन करना चाहिए, यह बहुत संक्षिप्त है। सामना करने के लिए, इंजीनियर क्वांटम त्रुटि सुधार का उपयोग करते हैं, जो एक तार्किक qubit को कई भौतिक qubits के एक बंडल में एन्कोड करता है। अतिरेक कंप्यूटर को मक्खी पर त्रुटियों का पता लगाने और ठीक करने की अनुमति देता है, लेकिन यह एक लागत पर आता है: केवल एक तार्किक क्विट को बनाए रखने के लिए सैकड़ों या हजारों भौतिक क्वबिट्स की आवश्यकता हो सकती है।

यह अड़चन है। यदि क्वैबिट्स को त्रुटियों के लिए अधिक प्रतिरोधी बनाने और हार्डवेयर स्तर पर उनके क्वांटम राज्य की रक्षा करने का एक तरीका था, तो पूरा उद्यम कहीं अधिक कुशल हो जाएगा।

1930 के दशक में, इतालवी भौतिक विज्ञानी एट्टोर मेजराना (यहां चित्रित सी। 1930 के दशक) ने एक कण प्रस्तावित किया, जो इलेक्ट्रॉन या प्रोटॉन के विपरीत, अपने एंटीमैटर समकक्ष से अप्रभेद्य होगा। | फोटो क्रेडिट: सार्वजनिक डोमेन

यह वह जगह है जहां मेजरनास एक मौलिक रूप से अलग दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। कल्पना कीजिए कि एक एकल, नाजुक वस्तु में संग्रहीत कुछ के रूप में नहीं, बल्कि एक संपत्ति के रूप में जो दो व्यापक रूप से अलग -अलग टुकड़े साझा करते हैं। यह मेजराना मोड के साथ संभव है। कुछ सुपरकंडक्टर्स में, इलेक्ट्रॉन बाध्य जोड़े बनाते हैं, लेकिन सही परिस्थितियों में, एक इलेक्ट्रॉन की क्वांटम स्थिति, प्रभाव में, दो में विभाजित हो सकती है। प्रत्येक आधा एक मेजराना मोड की तरह व्यवहार करता है।

गंभीर रूप से, इन दोनों हिस्सों को एक ही नैनोवायर के साथ या किसी डिवाइस के विभिन्न क्षेत्रों में दूर रखा जा सकता है। साथ में वे एक एकल Qubit को परिभाषित करते हैं, लेकिन इस बारे में जानकारी कि क्या Qubit राज्य 0, 1 में है या दोनों का एक सुपरपोज़िशन दोनों मेजराना के संयुक्त राज्य में संग्रहीत है। यदि कोई गड़बड़ी उनमें से एक को प्रभावित करती है – कहते हैं, थोड़ा स्थानीय शोर या सामग्री में एक दोष – यह स्वयं एन्कोडेड जानकारी को नष्ट नहीं कर सकता है। दोनों हिस्सों को एक सहसंबद्ध तरीके से बाधित करना होगा, और यह बहुत कम संभावना है।

यह गैर -एन्कोडिंग रक्षा की पहली पंक्ति है। यह ऐसा है जैसे आपने पेरिस में रखे गए एक नोटबुक में एक गुप्त की पहली छमाही लिखी और दूसरी छमाही को टोक्यो में एक और बंद कर दिया। एक नोटबुक चोरी करना रहस्य को प्रकट नहीं करता है: आपके पास दोनों होना चाहिए।

ब्रैड्स बुनाई

सुरक्षा वहाँ समाप्त नहीं होती है। मेजराना मोड भी गैर-एबेलियन एनीओन्स नामक क्वांटम ऑब्जेक्ट्स के एक दुर्लभ वर्ग से संबंधित हैं। इसका क्या मतलब है, इसकी सराहना करने के लिए, यह पीछे हटने में मदद करता है और यह सोचने में मदद करता है कि जब आप उनके पदों का आदान -प्रदान करते हैं तो कण सामान्य रूप से कैसे व्यवहार करते हैं।

हमारी रोजमर्रा की दुनिया में, दो समान संतरे की अदला -बदली करने से कुछ भी नहीं बदलता है। क्वांटम दुनिया में, समान कण दो प्रसिद्ध श्रेणियों में आते हैं। Bosons (जैसे फोटॉन) स्वैप किए जाने पर अपने समग्र वेवफंक्शन को नहीं बदलते हैं। फ़र्मियन (जैसे इलेक्ट्रॉन) केवल एक माइनस साइन द्वारा बदलते हैं, एक गणितीय विचित्रता जो अभी भी अछूता सबसे अधिक अवलोकन योग्य गुणों को छोड़ देती है।

गैर-एबेलियन किसी भी अलग-अलग हैं। यदि आप विनिमय करते हैं, या “ब्रैड”, उनमें से दो, संयुक्त क्वांटम स्थिति बहुत गहरे तरीके से बदलती है। स्वैप केवल एक स्थिर द्वारा राज्य को गुणा नहीं करता है; यह इसे पूरी तरह से नए राज्य में बदल देता है। क्या अधिक है, जिस क्रम में आप इन स्वैप करते हैं, वह ऑर्डर। कण B के साथ स्वैप कण A, फिर C के साथ B को स्वैप करें, और आप एक अलग अंतिम स्थिति के साथ समाप्त होते हैं यदि आपने B के साथ B को स्वैप किया था, तो B के साथ B के साथ B.

यह साधारण अंतर्ज्ञान के लिए विदेशी है। एक मंच पर तीन नर्तकियों की कल्पना करें जो अपने पूरे प्रदर्शन की कोरियोग्राफी को उस अनुक्रम के आधार पर बदलते हैं जिसमें वे एक -दूसरे को पास करते हैं, न कि केवल इस पर कि वे पास करते हैं।

तथ्य यह है कि मेजराना मोड गैर-एबेलियन हैं, क्वांटम गणना करने के लिए एक नया तरीका खोलता है। एक उपयुक्त डिवाइस में, आप अंतरिक्ष और समय में पथों को ट्रेस करते हुए, इन मोड को एक दूसरे के चारों ओर स्थानांतरित कर सकते हैं। इस प्रक्रिया को ब्रेडिंग कहा जाता है, क्योंकि यदि आप पथ खींचते हैं, तो वे एक ब्रैड में किस्में की तरह दिखते हैं।

पांच स्ट्रैंड्स को ब्रैड करने की एक विधि। | फोटो क्रेडिट: Stilfehler (CC BY-SA)

प्रत्येक ब्रैड मेजराना द्वारा साझा किए गए क्वांटम राज्य के एक विशिष्ट परिवर्तन से मेल खाता है। सुंदरता यह है कि परिणाम केवल ब्रैड की टोपोलॉजी पर निर्भर करता है-अमूर्त ओवर-एंड-अंडर पैटर्न-और गति के सटीक भौतिक विवरणों पर नहीं। आप उन्हें धीरे -धीरे या जल्दी से स्थानांतरित कर सकते हैं, सामग्री में एक अशुद्धता के चारों ओर एक चक्कर लगा सकते हैं या उन्हें धीरे से हिला सकते हैं जैसे आप जाते हैं। परिणाम तब तक होगा जब तक कि ब्रेडिंग पैटर्न स्वयं संरक्षित न हो जाए।

यह संपत्ति टॉपोलॉजिकल रूप से संरक्षित ब्रेडिंग से निर्मित गणना करती है। व्यावहारिक रूप से, इसका मतलब है कि समय, स्थिति या पर्यावरणीय शोर में छोटी त्रुटियां गणना को पटरी से उतारने की संभावना नहीं है। प्रकृति खुद को खामियों से दूर करती है, जिस तरह से एक गाँठ एक गाँठ बनी रहती है, कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप रस्सी को कैसे मोड़ते हैं, जब तक कि आप वास्तव में इसे खोल नहीं देते हैं।

फ्रंटियर्स को धक्का देना

सिद्धांत रूप में, एक टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटर को केवल ब्रैड्स के एक निर्धारित अनुक्रम के माध्यम से अपने मेजराना मोड को स्थानांतरित करके प्रोग्राम किया जा सकता है, प्रत्येक एक तार्किक संचालन को लागू करता है। मशीन की मजबूती त्रुटि-सुधारक क्वबिट्स की परतों पर नहीं बल्कि कणों के मौलिक भौतिकी से परतों से नहीं होगी।

आज के प्रमुख क्वांटम कंप्यूटिंग प्लेटफार्मों के साथ इसके विपरीत: सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स, फंसे आयनों, और अर्धचालक में स्पिन क्विट्स। इन सभी प्रणालियों में, संचालन को उत्तम सटीकता के साथ नियंत्रित किया जाना चाहिए और किसी भी पर्यावरणीय गड़बड़ी को यथासंभव दबाया जाना चाहिए। Qubit राज्यों को स्थानीयकृत किया जाता है, इसलिए उस स्थान पर एक अवांछित झटका या उतार -चढ़ाव qubit को फ्लिप या यादृच्छिक कर सकता है। सुरक्षा पूरी तरह से इंजीनियरिंग अनुशासन और सक्रिय त्रुटि सुधार से आती है, जिनमें से दोनों को भारी जटिलता की आवश्यकता होती है।

मेजराना-आधारित टोपोलॉजिकल क्वबिट्स के साथ, आशा है कि उस जटिलता का अधिकांश हिस्सा अनावश्यक है। क्योंकि जानकारी को गैर-संचालित रूप से संग्रहीत किया जाता है और ब्रेडिंग द्वारा हेरफेर किया जाता है, Qubit के आवश्यक गुणों को छोटे पैमाने पर शोर से परिरक्षित किया जाता है। यह उन्हें अजेय नहीं बनाता है – अभी भी ऐसे तरीके हैं जो त्रुटियां हैं, जैसे कि क्वासिपार्टिकल विषाक्तता या अपूर्ण अलगाव के माध्यम से – लेकिन आधारभूत स्थिरता बेहतर परिमाण के आदेश हो सकती है।

कैच यह है कि वादा अभी भी ज्यादातर सैद्धांतिक है। पिछले दशक में प्रयोगों ने मेजराना मोड की उपस्थिति के अनुरूप टैंटलाइजिंग संकेतों का उत्पादन किया है – एक चुंबकीय क्षेत्र के तहत, सुपरकंडक्टर्स के लिए युग्मित, इंडियम एंटिमोनाइड जैसी सामग्रियों से बने नैनोवायर में। तार के छोर पर विद्युत चालन के माप ने पैटर्न दिखाए हैं जो मेजराना के लिए भविष्यवाणियों को फिट करते हैं। लेकिन संशयवादी बताते हैं कि अन्य, अधिक सांसारिक प्रभाव इन पैटर्नों की नकल कर सकते हैं।

अंतिम प्रमाण ब्रेडिंग का प्रदर्शन करना होगा: एक दूसरे के चारों ओर मोड को स्थानांतरित करने और यह दिखाने के लिए कि सिस्टम की क्वांटम राज्य बिल्कुल गैर-एबेलियन आंकड़ों की भविष्यवाणी करने के तरीके में बदलती है। यह एक नाजुक कार्य है। मोड को अपनी पहचान खोए बिना स्थानांतरित किया जाना है, साधारण इलेक्ट्रॉन राज्यों से अच्छी तरह से पृथक रखा गया है, और दो आयामों में हेरफेर किया गया है, भले ही अधिकांश वर्तमान उपकरण प्रभावी रूप से एक-आयामी तारों के हों। शोधकर्ता वर्तमान में ब्रेडिंग को संभव बनाने के लिए अधिक जटिल ज्यामिति डिजाइन कर रहे हैं।

सफल होने पर, मेजराना-आधारित क्विट्स क्वांटम कंप्यूटिंग के अर्थशास्त्र को बदल सकते हैं। कुछ हजार तार्किक लोगों को प्राप्त करने के लिए एक मिलियन भौतिक qubits की आवश्यकता के बजाय, एक मशीन बहुत कम qubits के साथ काम कर सकती है, प्रत्येक स्वाभाविक रूप से मजबूत। हार्डवेयर सरल हो सकता है, त्रुटि-सुधार ओवरहेड छोटा, और गणना तेजी से और अधिक विश्वसनीय हो। यह सिर्फ व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटरों के आगमन में तेजी नहीं करेगा, यह उन गणनाओं के लिए दरवाजा भी खोल सकता है जो वर्तमान में शोर और अस्थिरता के कारण पहुंच से बाहर हैं।

यह भी ध्यान देने योग्य है कि मेजरनास की खोज ने पहले से ही कंडेंस्ड मैटर फिजिक्स के मोर्चे को धक्का दिया है। इन कणों को अस्तित्व में ले जाने की कोशिश में, शोधकर्ताओं ने क्लीनर नैनोवायर विकसित करना सीखा है, परमाणु पैमाने पर बेहतर सुपरकंडक्टिंग संपर्क और नियंत्रण सामग्री बनाते हैं। यहां तक ​​कि अगर अंतिम पुरस्कार मायावी रहता है, तो तकनीकी उप-उत्पादों को अन्य क्षेत्रों में फ़ीड करने की संभावना है, क्वांटम सेंसिंग से लेकर नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक्स तक।