ब्राज़ीलियाई शोधकर्ताओं ने विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके ठंडे आयनों को कैद किया, क्वांटम कंप्यूटिंग में प्रगति की

साओ पाउलो विश्वविद्यालय के साओ कार्लोस भौतिकी संस्थान (IFSC-USP) के शोधकर्ताओं ने पहली बार ब्राजील में केवल विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके ठंडे आयनों को कैद करने में सफलता प्राप्त की, जो पॉल प्रकार के ट्रैप का उपयोग करता है। इस उपलब्धि में स्ट्रोंटियम परमाणुओं को विद्युत रूप से आवेशित कणों में परिवर्तित किया गया और उन्हें एक अत्यंत छोटे क्षेत्र में रखा गया, जिससे क्यूबिट्स के विकास और परीक्षण के लिए एक राष्ट्रीय प्रायोगिक मंच स्थापित हुआ।

कार्य का सारांश

यह कार्य भौतिक विज्ञानी एमिलसन रोगेलसो फ्रिट्श द्वारा किया जा रहा है, जो साओ पाउलो राज्य विज्ञान सहायता फाउंडेशन (FAPESP) के तहत क्वांटम टेक्नोलॉजीज इनिशिएटिव (QuTIa) कार्यक्रम के समर्थन से एक युवा शोधकर्ता हैं। यह परिणाम परियोजना के लगभग अठारह महीने के विकास के बाद प्राप्त हुआ। अगला चरण कणों के मात्र confinement से उनके क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने की ओर बढ़ना होगा, जो सूचना प्रसंस्करण संचालन करने के लिए आवश्यक है।

डिजिटल लुक (Olhar Digital) के साथ बातचीत में, फ्रिट्श ने स्पष्ट किया कि देश में कैद आयनों पर आधारित कोई समर्पित क्वांटम कंप्यूटिंग प्रयोग नहीं था। उन्होंने उल्लेख किया कि हालांकि रियो डी जनेरियो में प्रोफेसर क्लौडियो लेंज़ सेसार जैसे शिक्षक के पास एंटीमैटर पर केंद्रित शिक्षण पहल या परियोजनाएं मौजूद हैं, लेकिन ब्राजील को क्वांटम हार्डवेयर के लिए एक स्वदेशी बुनियादी ढांचे की आवश्यकता थी। उनके अनुसार, वर्तमान में सबसे आशाजनक प्रणालियाँ कैद आयन और सुपरकंडक्टर हैं, जो अनुसंधान और निवेश दोनों को आकर्षित कर रही हैं, और हाल ही में, न्यूट्रल एटम सिस्टम भी प्रमुखता से उभरे हैं।

इस परियोजना की सफलता उच्च परिशुद्धता वाले मेट्रोलॉजी में अनुप्रयोगों का मार्ग भी प्रशस्त करती है। भौतिक विज्ञानी ने इस बात पर प्रकाश डाला कि निकट भविष्य में, ब्राजील की क्षमता केवल क्वांटम कंप्यूटिंग तक सीमित नहीं रहेगी, बल्कि सटीकता माप भी शामिल करेगी, विशेष रूप से सेकंड की परिभाषा मानक में, क्योंकि कैद आयनों की ऑप्टिकल घड़ियाँ सटीकता और स्थिरता के विश्व रिकॉर्ड रखती हैं।

आयनों को सीमित रखने के लिए, टीम पॉल ट्रैप का उपयोग करती है, जो जर्मन भौतिक विज्ञानी वोल्फ़गैंग पॉल द्वारा 1950 के दशक में विकसित एक तकनीक है। यह उपकरण उच्च आवृत्ति पर दोलन करने वाले विद्युत क्षेत्रों के साथ काम करता है, जो प्रयोग में प्रति सेकंड लगभग 18 मिलियन बार बदलता है। क्षेत्र की दिशा में तीव्र परिवर्तन के कारण, आयन तालमेल नहीं बिठा पाते और भाग नहीं पाते, और वे औसत बल के परिणामस्वरूप केंद्र में बने रहते हैं।

confinement दो अलग-अलग आयामों में होता है। अनुप्रस्थ रूप से, दोलनशील विद्युत क्षेत्र आयनों को केंद्रीय अक्ष से दूर जाने से रोकता है। अनुदैर्ध्य रूप से, एक स्थिर विद्युत क्षेत्र सुनिश्चित करता है कि वे सिरों से बाहर न निकलें। शोधकर्ता ने बताया कि व्यावहारिक सबसे बड़ी चुनौती दोलन उत्पन्न करना नहीं है, बल्कि परमाणु को ट्रैप के केंद्र में सटीक रूप से रखना और स्थिर करना है। उन्होंने विस्तार से बताया कि मुख्य कठिनाई आयन को केंद्र में रखना है, क्योंकि यदि वह विचलित होता है, तो वह गतिशील क्षेत्र महसूस करना शुरू कर देता है और किनारों की ओर धकेला जाता है।

इस समस्या को कम करने के लिए, फ्रिट्श की टीम समर्थन स्थैतिक क्षेत्रों और दिन भर प्रणाली की स्थिरता बनाए रखने के लिए आवधिक समायोजन का उपयोग करती है। जब कई कण कैद होते हैं, तो उनके सकारात्मक आवेश पारस्परिक प्रतिकर्षण पैदा करते हैं, जिससे वे कुछ माइक्रोमीटर से अलग एक छोटी श्रृंखला में व्यवस्थित हो जाते हैं।

ट्रैप में डालने से पहले, वैज्ञानिक स्ट्रोंटियम के तटस्थ परमाणुओं से शुरुआत करते हैं। लेजर बीम प्रत्येक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन हटा देते हैं, जिससे वह एक धनात्मक आयन बन जाता है। फिर इन कणों को एक अल्ट्रा-हाई वैक्यूम चैम्बर में सीमित किया जाता है, जो बचे हुए अणुओं के साथ टकराव से आयनों को बाहर निकलने या निगरानी की जाने वाली क्वांटम अवस्थाओं को बाधित होने से रोकने के लिए एक महत्वपूर्ण वातावरण है।

हालांकि चैम्बर कमरे के तापमान पर संचालित होता है, आयनों को लेज़रों के माध्यम से ठंडा किया जाता है। उद्देश्य उनकी गति को एक मिलीकेल्विन से नीचे के स्तर तक कम करना है, जिससे प्रणाली मौलिक क्वांटम अवस्था के करीब आ जाती है। कणों की कम अशांति सूचना के हेरफेर के लिए अधिक सटीकता की ओर ले जाती है, क्योंकि अत्यधिक तापीय गति क्वांटम अवस्थाओं में संचालन में हस्तक्षेप कर सकती है।

इकट्ठी की गई छवियां चमकीले बिंदुओं को प्रकट करती हैं जो कैद आयनों के अनुरूप होते हैं, जिसमें प्रत्येक बिंदु एक व्यक्तिगत कण होता है। आयनों की मात्रा को नियंत्रित करना संभव है, जिससे एक एकल कण या कई कणों से बनी श्रृंखला के साथ काम करना संभव हो जाता है। यह क्षमता प्रासंगिक है क्योंकि विशिष्ट आयनों पर लेजर निर्देशित किए जा सकते हैं, जिससे पड़ोसियों को प्रभावित किए बिना उनकी अवस्थाओं को संशोधित किया जा सकता है।

फ्रिट्श ने जोर देकर कहा कि उच्च स्तर का अलगाव और लेजर फोकस सर्जिकल सटीकता के साथ व्यक्तिगत हेरफेर की अनुमति देता है। उन्होंने दावा किया कि वह बहुत छोटे तरीके से लेजर को केंद्रित कर सकते हैं और आसपास के परमाणु को प्रभावित किए बिना ट्रैप में केवल एक आयन को 99.99% से अधिक निष्ठा के साथ हेरफेर कर सकते हैं, यह भी जोड़ा कि प्रणाली आवश्यकता पड़ने पर कणों की पूरी श्रृंखला के समवर्ती संचालन का समर्थन करती है।

क्वांटम कंप्यूटिंग से सीधा संबंध

यहीं पर प्रयोग सीधे क्वांटम कंप्यूटिंग से जुड़ता है। जबकि पारंपरिक कंप्यूटरों में डेटा की सबसे छोटी इकाई बिट होती है, जो केवल 0 या 1 मान लेती है, कैद आयन प्रणाली में, प्रत्येक कण की दो आंतरिक अवस्थाएँ इस कार्य को पूरा करती हैं, जिससे एक क्यूबिट बनता है। मौलिक अंतर यह है कि क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार, क्यूबिट 0 और 1 की अवस्थाओं के अध्यारोपण में मौजूद हो सकता है।

इस अंतर को समझाने के लिए एक सरल सादृश्य एक बिट की तुलना पहले से गिरी हुई सिक्के से करना है, जो चित या पट दिखाता है। दूसरी ओर, क्यूबिट की तुलना उस सिक्के से की जा सकती है जब वह घूम रहा हो। हालांकि इस तुलना की सीमाएं हैं, यह इस समझ में मदद करती है कि एक क्वांटम अवस्था दोनों मानों को संयोजित कर सकती है। हालांकि, मापने के समय, परिणाम हमेशा 0 या 1 होगा।

एक अन्य आवश्यक गुण क्वांटम एंटेंगलमेंट है, जो दो या दो से अधिक क्यूबिट्स के बीच सहसंबंध स्थापित करने की अनुमति देता है, जिससे प्रणाली को एक सुसंगत समग्र के रूप में माना जाता है। क्वांटम एल्गोरिदम इन सहसंबंधों का लाभ उठा सकते हैं, अध्यारोपण और हस्तक्षेप के साथ मिलकर, कुछ परिणामों की संभावना को बढ़ाते हैं। यह दृष्टिकोण विशिष्ट समस्याओं में लाभ ला सकता है जिन्हें पारंपरिक कंप्यूटरों के साथ कुशलता से हल करना कठिन है।

इसका मतलब यह नहीं है कि क्वांटम कंप्यूटर सभी कार्यों के लिए केवल तेज़ मशीनें होंगे। उनकी क्षमता विशिष्ट चुनौतियों में निहित है। सबसे अधिक जांचे गए उदाहरणों में अणुओं और परमाणुओं का अनुकरण शामिल है, जो नई दवाओं और सामग्रियों में अनुसंधान को बढ़ावा दे सकता है। शोधकर्ता ने इस बात पर जोर दिया कि क्वांटम आर्किटेक्चर पदार्थ की मौलिक प्रकृति से निपटने के लिए डिज़ाइन किया गया है, यह कहते हुए कि क्वांटम समस्याओं को हल करना बहुत तेज़ और व्यवहार्य होगा यदि क्वांटम तकनीक का उपयोग किया जाए, और धोखाधड़ी और जटिल वित्तीय लेनदेन के खिलाफ डेटा सुरक्षा पर भविष्य के प्रभावों का भी उल्लेख किया।

इस स्तर तक पहुंचने के लिए, यह साबित करना अभी भी अनिवार्य है कि आयन प्रभावी रूप से नियंत्रणीय क्यूबिट के रूप में कार्य करते हैं। सावधानीपूर्वक ट्यून की गई आवृत्तियों वाले लेजर कणों की आंतरिक अवस्थाओं को बदलने की अनुमति देते हैं। विशिष्ट पल्स सुपरपोजिशन तैयार कर सकते हैं और क्यूबिट्स पर संचालन निष्पादित कर सकते हैं। कई आयनों की श्रृंखला में, अगला लक्ष्य उलझे हुए अवस्थाएँ उत्पन्न करना और क्वांटम गणनाओं का प्रतिनिधित्व करने वाले संचालन अनुक्रमों को निष्पादित करना है।

स्ट्रोंटियम को इस प्रकार के प्रयोग के लिए इसकी विशेष रूप से फायदेमंद विशेषताओं के कारण चुना गया था। इसके कुछ इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण आयनों के शीतलन और पता लगाने दोनों को सुविधाजनक बनाते हैं। इसके अलावा, एक अत्यंत संकीर्ण संक्रमण जानकारी को हेरफेर करने के लिए पर्याप्त समय तक उत्तेजित अवस्था को बनाए रखने की अनुमति देता है। ये विशेषताएँ तत्व को एकल कणों के सटीक नियंत्रण की मांग करने वाले प्रयोगों के लिए एक उपयुक्त विकल्प बनाती हैं।

ब्राज़ीलियाई वैज्ञानिक क्षमता में प्रगति

ट्रैप का निर्माण ब्राजील के वैज्ञानिक प्रशिक्षण में भी एक प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। हालांकि देश में पहले से ही तटस्थ परमाणुओं में एक मजबूत आधार था, आयन प्लेटफॉर्म का समेकन विशेषज्ञों की एक नई पीढ़ी के उदय का मार्ग प्रशस्त करता है। फ्रिट्श ने इस बात पर प्रकाश डाला कि इस तकनीक को विश्वविद्यालय के भीतर होने से छात्रों को प्रशिक्षित करना और इस अनुसंधान समूह का निर्माण करना संभव है, जिससे वर्तमान अनुसंधान और उद्योग में एक केंद्रीय विषय, क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए कुशल श्रम शक्ति प्रदान की जा सके।

IFSC-USP में मौजूदा बुनियादी ढांचे ने इस प्रक्रिया में सहायता की। सेंटर फॉर रिसर्च इन ऑप्टिक्स एंड फोटोनिक्स (CEPOF), जिसका समन्वय प्रोफेसर वेंडरलेई बग्नाटो करते हैं, ऑप्टिक्स, लेज़रों, वैक्यूम सिस्टम और परमाणु शीतलन में विशेषज्ञता का केंद्र है। इन ज्ञानों को सीधे नई अनुसंधान रेखा में लागू किया जाता है। ट्रैप का निर्माण ब्राजील में किया गया था और संस्थान की एक प्रयोगशाला में स्थापित किया गया था।

परियोजना की शुरुआत दिसंबर 2024 में हुई थी, जिसमें पहले महीनों को उपकरणों की खरीद, प्रणाली की स्थापना और ट्रैप के निर्माण के लिए समर्पित किया गया था। पहला महत्वपूर्ण परिणाम स्ट्रोंटियम आयनों का उत्पादन, कैद और अवलोकन था। हालांकि प्रयोग अभी भी प्रारंभिक चरण में है और खोज पर कोई औपचारिक वैज्ञानिक प्रकाशन नहीं है, यह उपलब्धि आगामी परीक्षणों के लिए नींव स्थापित करती है।

बग्नाटो के अनुसार, यह परिणाम ब्राजील को क्वांटम कंप्यूटिंग के विकास में आगे बढ़ने के लिए एक अनुकूल प्रारंभिक बिंदु पर रखता है। उन्होंने एक बयान में घोषणा की कि आयनों को कैद करने की सफलता के साथ, ब्राजील का अनुसंधान मानचित्र पर आ गया है, और यह क्वांटम कंप्यूटिंग की प्रगति के लिए आवश्यक हार्डवेयर में से एक है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि पॉल ट्रैप अभी भी एक पूर्ण क्वांटम कंप्यूटर नहीं है; अगला कदम कैद आयनों का उपयोग क्यूबिट के रूप में करना और पहले क्वांटम प्रसंस्करण संचालन करना है।