यादृच्छिकता आज आवश्यक है. संवेदनशील जानकारी को एन्क्रिप्ट करने से लेकर जैविक प्रणालियों का अनुकरण करने तक, अप्रत्याशित संख्याएँ अपरिहार्य हैं। फिर भी अधिकांश रोजमर्रा की यादृच्छिक संख्याएँ वास्तव में यादृच्छिक नहीं होती हैं। पारंपरिक कंप्यूटर अनुक्रम उत्पन्न करने के लिए छद्म यादृच्छिक संख्या जेनरेटर नामक एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं जो यादृच्छिक दिखते हैं लेकिन प्रारंभिक ‘बीज’ ज्ञात होने पर अंततः अनुमान लगाया जा सकता है। क्रिप्टोग्राफी जैसे अनुप्रयोगों के लिए, यह पूर्वानुमान खतरनाक है क्योंकि हमलावर इसका फायदा उठा सकते हैं।
वास्तविक यादृच्छिक संख्या जनरेटर इलेक्ट्रॉनिक शोर या रेडियोधर्मी क्षय जैसी भौतिक प्रक्रियाओं का उपयोग करके इसे हल करने का प्रयास करते हैं, जिन्हें पूर्व निर्धारित नहीं किया जा सकता है। लेकिन ये डिवाइस भी समस्याओं से मुक्त नहीं हैं: वे किसी भी हार्डवेयर की तरह समय के साथ खराब हो जाते हैं, और उपयोगकर्ताओं को निर्माताओं पर भरोसा करने की भी आवश्यकता होती है कि उन्होंने सिस्टम में गुप्त रूप से पूर्व-रिकॉर्ड किए गए नंबर नहीं डाले हैं। यह प्रमाणित करना भी कठिन है कि वे वास्तव में यादृच्छिक हैं।
क्वांटम भौतिकी यहाँ विशेष रूप से शक्तिशाली है। इसके मूल में एक सिद्धांत है कि कुछ परिणाम, जैसे कि किसी चुने हुए अक्ष के साथ मापा गया इलेक्ट्रॉन का घूमना, मौलिक रूप से यादृच्छिक होते हैं। भौतिकविदों ने इस आंतरिक यादृच्छिकता को साबित करने के लिए लंबे समय से क्वांटम प्रयोगों का उपयोग किया है, अक्सर क्वांटम सिस्टम दिखाकर बेल असमानताओं के रूप में ज्ञात गणितीय सीमाओं का उल्लंघन किया जा सकता है। हालाँकि, ऐसे परीक्षणों के लिए कम से कम दो उलझे हुए क्वैबिट को बड़ी दूरी से अलग करने की आवश्यकता होती है, जिससे वे एकल क्वांटम कंप्यूटर के लिए अव्यावहारिक हो जाते हैं।
एक अलग असमानता, जिसे लेगेट-गर्ग असमानता (एलजीआई) के रूप में जाना जाता है, एक विकल्प प्रदान करती है। स्थानिक पृथक्करण की आवश्यकता के बजाय, यह एक ही प्रणाली पर अलग-अलग समय पर किए गए माप के परिणामों की तुलना करता है। यदि ‘समय पर सिग्नलिंग नहीं’ की स्थिति को पूरा करते समय एलजीआई का उल्लंघन किया जाता है, जो सुनिश्चित करता है कि दोनों रीडिंग पूरी तरह से स्वतंत्र हैं, तो परिणाम वास्तव में यादृच्छिक के रूप में प्रमाणित होते हैं।
इस संबंध में, उर्बासी सिन्हा के नेतृत्व में रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने एक प्रश्न पूछा: क्या आधुनिक क्वांटम प्रोसेसर, जैसे कि आईबीएम क्वांटम प्लेटफॉर्म पर उपलब्ध हैं, पहले से ही प्रमाणित यादृच्छिक संख्या उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं? यदि ऐसा है, तो यह साबित होगा कि क्वांटम उपकरणों की वर्तमान पीढ़ी भी शास्त्रीय मशीनों के लिए असंभव कार्य कर सकती है।
टीम ने आईबीएम के सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों पर सरल क्वांटम सर्किट बनाए, जो क्लाउड पर उपलब्ध हैं। प्रत्येक सर्किट में केवल एक क्विबिट और चुने हुए अक्षों के चारों ओर घूर्णन का प्रतिनिधित्व करने वाले सिंगल-क्विबिट गेट्स के अनुक्रम का उपयोग किया जाता है। उन्होंने तीन बार माप किए और परिणामों की जांच की कि क्या एलजीआई का उल्लंघन किया गया था, जबकि ‘समय पर कोई सिग्नलिंग नहीं’ की स्थिति को संतुष्ट किया गया था। कई परीक्षणों में मापदंडों और बाधाओं को सावधानीपूर्वक अलग करके, टीम ने उत्पन्न बिट्स की यादृच्छिकता को प्रमाणित किया।
प्रयोगों ने क्वांटम यांत्रिकी द्वारा प्रमाणित यादृच्छिक संख्याएँ सफलतापूर्वक उत्पन्न कीं। आईबीएम के ब्रुसेल्स बैकएंड पर, टीम ने एलजीआई के लगातार उल्लंघनों को देखा, हालांकि मापा गया मान शोर के कारण सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से थोड़ा कम था।
क्वांटम सूचना और कंप्यूटिंग (QuIC) लैब के प्रमुख प्रोफेसर सिन्हा ने कहा, “हमारे कार्यान्वयन की सुंदरता यह है कि हम एक शोर मध्यवर्ती पैमाने क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके प्रमाणित यादृच्छिकता के रूप में मौलिक कुछ दिखाने में सक्षम हैं।” “हम सावधानीपूर्वक त्रुटि शमन तकनीकों के माध्यम से ऐसा करने में सक्षम हैं और यह सुनिश्चित कर रहे हैं कि ‘शास्त्रीय’ त्रुटियां नियंत्रण में हैं और यादृच्छिकता पूरी तरह से अंतर्निहित क्वांटम यांत्रिक सिद्धांतों से है।”
अध्ययन के कई महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। यह सबसे महत्वपूर्ण रूप से प्रदर्शित करता है कि मौजूदा क्वांटम कंप्यूटरों पर विस्तृत प्रयोगशाला सेटअप के बिना सुरक्षित यादृच्छिक संख्याएं पहले से ही उत्पन्न की जा सकती हैं। केवल एक क्वबिट और उथले सर्किट की मांग करते हुए, प्रोटोकॉल अंतिम उपयोगकर्ताओं के लिए संभव है जो क्लाउड प्लेटफ़ॉर्म के माध्यम से क्वांटम कंप्यूटर तक पहुंच सकते हैं।
प्रोफेसर सिन्हा ने कहा, “रास्ते में अभी भी कुछ चुनौतियों से पार पाना बाकी है लेकिन यह तथ्य कि यह प्रमाणीकरण डिवाइस-स्वतंत्र है, इसे एक बहुत ही आशाजनक मार्ग बनाता है।”
यह कार्य यह भी दर्शाता है कि क्वांटम यांत्रिकी आज समाज को कैसे लाभ पहुंचा सकती है। शास्त्रीय यादृच्छिकता नकली प्रमाणित यादृच्छिकता नहीं कर सकती है, यह उन अनुप्रयोगों के लिए सुरक्षा की एक परत प्रदान करती है जहां अप्रत्याशितता सर्वोपरि है, जिसमें डेटा एन्क्रिप्शन, सुरक्षित संचार और वैज्ञानिक सिमुलेशन शामिल हैं।
परिणाम क्वांटम हार्डवेयर को विश्वसनीय बनाने में त्रुटि-शमन उपकरणों के महत्व पर प्रकाश डालते हैं। रीडआउट त्रुटि सुधार जैसी तकनीकों ने सिद्धांत के साथ परीक्षणों के समझौते में सुधार किया और उत्पन्न यादृच्छिकता में विश्वास को मजबूत किया, यह अंतर्निहित है कि कैसे सर्किट डिजाइन में प्रगति शोर उपकरणों की क्षमताओं को बढ़ा सकती है।
अध्ययन मूलभूत भौतिकी में भी योगदान देता है: क्वांटम कंप्यूटर पर लेगेट-गर्ग असमानता के उल्लंघन की पुष्टि करके, यह एक नई सेटिंग में क्वांटम सिद्धांत की और अधिक मान्यता प्रदान करता है। समान विधियों का उपयोग व्यक्तिगत रूप से क्वैबिट को बेंचमार्क करने के लिए भी किया जा सकता है, जिससे भविष्य की मशीनों का परीक्षण करने के लिए एक उपकरण प्रदान किया जा सकता है।
प्रोफेसर सिन्हा ने कहा, “हम अपनी पद्धति का उपयोग नए क्वबिट रजिस्टरों के उभरने पर एक मजबूत बेंचमार्क के रूप में कर सकते हैं, जो साबित करेगा कि ये सिस्टम वास्तविक दुनिया की समस्याओं को हल करने में कितने उपयोगी होंगे।”
टीम के परिणाम प्रकाशित किए गए थे क्वांटम विज्ञान और प्रौद्योगिकी में फ्रंटियर्स सितंबर में.
