कैसे क्वांटम कम्प्यूटिंग काम करता है और क्यों यह महत्वपूर्ण है

कंप्यूटर ने मौलिक रूप से समाज को बदल दिया है। द्वितीय विश्व युद्ध के अंत के तुरंत बाद, वैज्ञानिक सभी प्रकार की समस्याओं को हल करने के लिए कंप्यूटर का उपयोग कर रहे थे। प्रगति अविश्वसनीय रूप से तेज थी। 1970 के दशक तक, होम कंप्यूटर का जन्म हुआ।

फिर भी सभी प्रगति के लिए, कुछ समस्याएं अभी भी वास्तव में कठिन हैं। कोई फर्क नहीं पड़ता कि कैसे अच्छे कंप्यूटर मिलते हैं, बड़ी संख्या में फैक्टरिंग या कूरियर मार्गों को अनुकूलित करने जैसी चुनौतियां मुश्किल हैं।

लेकिन बिट्स केवल गणना करने का एकमात्र तरीका नहीं है। क्वांटम यांत्रिकी - वे नियम जो परमाणुओं और अणुओं की दुनिया पर शासन करते हैं - का उपयोग गणना करने के लिए भी किया जा सकता है। और उन गणनाओं को उल्लेखनीय रूप से अलग तरीके से किया जाता है।

उम्मीद है कि किसी दिन ये "क्वांटम कंप्यूटर" कठिन समस्याओं को हल करने में सक्षम होंगे। लेकिन वास्तव में क्वांटम कंप्यूटर क्या हैं, और वे कैसे काम करते हैं?

आईबीएम (आईबीएम क्वांटम अनुभव) से 16 qubit क्वांटम कंप्यूटर

क्वांटम कंप्यूटर के हुड के नीचे एक विस्तृत नज़र से पता चलता है कि शोधकर्ताओं को इतनी उम्मीद क्यों है कि ये कंप्यूटर इतनी शक्तिशाली होंगे - और इंटेल से नई पीढ़ी के प्रोसेसर की तरह शक्तिशाली नहीं। नहीं, एक व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर में दुनिया को बदलने की क्षमता है। डी-वेव, आईबीएम और गूगल जैसी कंपनियां, दुनिया भर के अनुसंधान प्रयोगशालाओं के साथ, सभी व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर का उत्पादन करने के लिए दौड़ रही हैं।

एक क्वांटम कंप्यूटर अलग क्या है?

क्वांटम और पारंपरिक कंप्यूटिंग के बीच अंतर को समझाने के लिए, दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में भौतिक सैद्धांतिक रसायन विज्ञान के एक प्रोफेसर डैनियल लिडार निम्नलिखित सादृश्य (जो मैंने संशोधित किया है) का उपयोग करता है।

सफेद गेंदों से भरे बॉक्स में काली गेंद खोजने की कल्पना करें, और आप बॉक्स के अंदर नहीं देख सकते। काली गेंद को खोजने के लिए, आप नेत्रहीन रूप से एक गेंद को पकड़ते हैं, रंग की जांच करते हैं, और इसे फेंक दें अगर यह काला नहीं है। आप पहली कोशिश में काली गेंद को पकड़ सकते हैं, या आप इसे अंतिम रूप दे सकते हैं।

सबसे अधिक संभावित परिणाम: आप बॉक्स को निराशा में नष्ट कर देते हैं।

अब एक क्वांटम एल्गोरिथ्म पर स्विच करते हैं। आपके क्वांटम हाथ बॉक्स में पहुँच जाते हैं, लेकिन वे एक गेंद को नहीं पकड़ते हैं। इसके बजाय, ये हाथ प्रत्येक गेंद को चुनने की संभावना रखते हैं - जिसमें काली गेंद भी शामिल है। यदि बॉक्स में 10 गेंदें हैं, तो आपके क्वांटम हाथों में 10 बराबर संभावनाएं हैं।

अगला, आप एक क्वांटम एल्गोरिथ्म चलाते हैं जो इस संभावना को बढ़ाता है कि गेंद काली है। बाद में, आप अपने हाथ की जाँच करें: निराशाजनक रूप से, गेंद सफेद है। आप बॉक्स में वापस पहुंचते हैं। लेकिन इस बार संभावनाएं नहीं के बराबर हैं: काली गेंद को खोजने की संभावना अन्य गेंदों की तुलना में अब अधिक है।

यह ऐसा है जैसे पिछले प्रयास ने आपके द्वारा पाया गया एक अतिरिक्त सफेद गेंद को फेंक दिया। यह हर प्रयास के लिए होता है, इसलिए काली गेंद को तेजी से खोजने की संभावना बढ़ जाती है। जिस तरह से इन संभावनाओं में बदलाव होता है, उसकी कुंजी यह है कि कंप्यूटिंग के मामले में क्वांटम कैसे-या "क्विबिट्स" करता है।

क्वांटम सुपरपोजिशन स्टेट्स

चलो यह देखने के लिए कि यह कैसे काम करता है, बॉक्स-ऑफ़-बॉल्स कहानी को तोड़ दें।

क्वांटम हाथ बॉक्स में पहुंच जाता है और संभावनाएं पकड़ लेता है। पारंपरिक कंप्यूटिंग में, सूचना को बिट्स के रूप में संग्रहीत किया जाता है जिसमें निश्चित मूल्य होते हैं। एक बिट या तो एक या एक शून्य है। एक बिट के मूल्य की जाँच करना इसे किसी भी तरह से संशोधित नहीं करता है।

लेकिन एक बिट सीधे बिट के मूल्य का प्रतिनिधित्व नहीं करता है; यह एक या एक शून्य होने की संभावना को धारण करता है। इसे "क्वांटम सुपरपोज़िशन स्टेट" कहा जाता है।

जब हम qubit के मूल्य की जांच करते हैं, हालांकि, हमें संभावना नहीं मिलती है। माप से पता चलता है कि एक या एक शून्य - सुपरपोजिशन की संभावनाओं से यादृच्छिक रूप से निर्धारित विकल्प। मापने के मूल्य को निर्धारित करता है। यदि हम क्वेट को मापते हैं और एक प्राप्त करते हैं, तो फिर से जाँच करने से परिणाम एक हो जाएगा।

जब हम बॉक्स में पहुंचते हैं, तो हम वास्तव में एक सेट ले रहे हैं - सभी गेंदों का प्रतिनिधित्व करने के लिए पर्याप्त है। क्वैबिट्स को एक सुपरपोजिशन स्टेट में डाल दिया जाता है जो प्रत्येक बॉल को खोजने की संभावनाएं रखता है। चूंकि खोज पूरी तरह से यादृच्छिक है, प्रत्येक गेंद को समान संभावना के साथ दर्शाया गया है।

अब हम एक एल्गोरिथ्म चलाते हैं जो काली गेंद को खोजने की संभावना को बढ़ाता है।

आप पूछ सकते हैं: चोटी को छीने बिना आप संभावना कैसे बढ़ा सकते हैं? उत्तर में निहित है कि कैसे एक qubit संभावनाओं को रखता है। एक संभावना शून्य और एक के बीच की संख्या से दर्शायी जाती है। लेकिन क्वैटेबिलिटी एम्प्लीट्यूड को रोकती है, जो सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है।

जैसा कि लिडार इसे कहते हैं: "[टी] उनका वह स्थान है जहां वास्तविक अंतर है। नकारात्मक संभावना की कोई धारणा नहीं है [शास्त्रीय भौतिकी में], यह अर्थहीन है ... लेकिन क्वांटम मामले में, हम सकारात्मक [संभावना] आयाम को रद्द करने वाले [ए] नकारात्मक [संभावना] आयाम को रद्द कर सकते हैं। यह इन हस्तक्षेपों के हेरफेर के माध्यम से है जिसे हम यह समझने के लिए शुरू कर सकते हैं कि क्वांटम कंप्यूटिंग कैसे लाभ उठा सकती है। ”

उस बोली में दो प्रमुख बिंदु छिपे हैं। जब एक नकारात्मक आयाम एक सकारात्मक आयाम से मिलता है, तो शुद्ध परिणाम शून्य के करीब होता है, इसलिए उस विशेष परिणाम की संभावना कम हो जाती है; यदि दो सकारात्मक आयाम मिलते हैं, तो उस परिणाम की संभावना बढ़ जाती है। यही है, हम क्वेट को मापने के बिना किसी विशेष परिणाम की संभावना में हेरफेर कर सकते हैं। (याद रखें, माप बनाने से सुपरपोज़िशन अवस्था नष्ट हो जाएगी।)

अधिक महत्वपूर्ण है, खुद को ऐसा करने के लिए क्विबेट बनाया जा सकता है। जब हम एक सकारात्मक आयाम के नकारात्मक आयाम को पूरा करने की बात करते हैं, तो ये आयाम समान qubit से हो सकते हैं। और अगर यह आपके दिमाग को थोड़ा मोड़ने और चकित करने का कारण नहीं बनता है, तो कुछ भी नहीं होगा।

नतीजतन, एक क्वांटम कंप्यूटर जल्दी से एक गलत उत्तर प्राप्त करने की संभावना को कम कर सकता है और सही उत्तर प्राप्त करने की बाधाओं को बढ़ा सकता है। यह ठीक उसी तरह की चाल है जैसे एक क्वांटम कंप्यूटर सही गेंद को खोजने की संभावना को बढ़ाने के लिए उपयोग करता है।

एक त्रुटि-प्रवण प्रक्रिया

एक संगणना करने के लिए, कई खण्डों के सुपरपोज़िशन राज्य को संशोधित किया जाता है। लेकिन जानबूझकर संशोधनों के बीच, वातावरण भी सुपरपोजिशन स्थिति को बदल देता है। यह शोर क्वांटम कंप्यूटिंग का दुश्मन है, सुपरपोजिशन को नष्ट करने के लिए लगभग उतना ही तेज है जितना हम उन्हें बना सकते हैं।

नतीजा यह है कि क्वैब अविश्वसनीय हैं और त्रुटि की संभावना है। और उन त्रुटियों को खोजा और ठीक किया जाना है।

यह तुच्छ नहीं है। जैसा कि लिडार कहते हैं: "[डब्ल्यू] ई को अतिरेक का उपयोग करने की आवश्यकता होगी ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि क्वांटम गणना सही ढंग से की जा सकती है। तो, फिर, एन्कोडिंग के कारण यह ओवरहेड क्या है? खैर, यह काफी गंभीर हो सकता है, यह 1,000 या 1,000,000 के कारकों से हो सकता है। ”

दूसरे शब्दों में, हर एक सूचना को एक एकल श्रेणी के बजाय एक छोटी सी सेना की एक छोटी सेना में बदल दिया जाता है।

क्वांटम कंप्यूटर कैसे बनाये

क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए कई बुनियादी दृष्टिकोण हैं। सबसे आम दृष्टिकोण बहुत कुछ है जैसे हम अब कंप्यूटर का निर्माण करते हैं, जिसे क्वांटम कंप्यूटिंग का सर्किट मॉडल कहा जाता है।

प्रत्येक कार्यक्रम को विशिष्ट तर्क संचालन की एक श्रृंखला में तोड़ा जाता है, जिनमें से अधिकांश एक qubit के प्रायिकता आयाम के आधार पर, एक qubit के प्रायिकता आयाम को संशोधित करते हैं। एक सर्किट-आधारित क्वांटम कंप्यूटर क्वैबिट के शुरुआती सेट में लेता है और प्रोग्राम में प्रत्येक ऑपरेशन को क्रमिक रूप से करता है। प्रोग्राम चलाने के बाद, क्वेट स्टेट्स को उत्तर प्राप्त करने के लिए पढ़ा जाता है।

आईबीएम इस तरह के क्वांटम कंप्यूटर बनाता है, और आप उनके साथ भी खेल सकते हैं। लेकिन यह किसी भी तरह से निश्चित नहीं है कि आईबीएम या कोई अन्य सर्किट मॉडल मानक बन जाएगा। एक उपयोगी आकार तक की संख्या और जीवनकाल को स्केल करना कोई आसान काम नहीं है।

डी-वेव और गूगल जैसी अन्य कंपनियां भी रुचि ले रही हैं। लेकिन उनका दृष्टिकोण आईबीएम और अधिकांश अनुसंधान प्रयोगशालाओं से काफी अलग है। क्वांटम कंप्यूटर बनाने का सबसे आम तरीका सामान्य कंप्यूटर से विचारों के करीब रहना है: तर्क गेट्स जो अनुक्रमिक संचालन करते हैं। लेकिन उन कंप्यूटरों को बनाना भी संभव है जो प्रत्यक्ष तर्क संचालन के बिना काम करते हैं।

डी-वेव क्वांटम अनुकूलक (डी-वेव इंक)

दोनों दृष्टिकोणों के बीच का अंतर काफी गहरा है। अनुक्रमिक तर्क का उपयोग करने वाले कंप्यूटर में, कंप्यूटर का भौतिक लेआउट काफी सरल है, लेकिन संचालन (या कार्यक्रम) का क्रम लंबा और जटिल हो सकता है। अनुक्रमिक तर्क को त्यागने से, कार्यक्रम बहुत सरल हो जाता है - वास्तव में, लगभग कोई प्रोग्रामिंग नहीं है - लेकिन भौतिक लेआउट बहुत चुनौतीपूर्ण हो जाता है, क्योंकि प्रत्येक क्वेट को अन्य सभी क्वैबिट से जोड़ा जाना है।

कनाडाई स्टार्टअप डी-वेव कुछ समय के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग के सीमित रूप की पेशकश कर रहा है, लेकिन फिलहाल, इसके प्रोसेसर व्यावहारिक समस्याओं को लेने के लिए बहुत कम हैं। डी-वेव प्रोसेसर का लेआउट सभी क्वैबिट को एक दूसरे से नहीं जोड़ता है। नतीजतन, इसका उपयोग केवल कुछ प्रकार की समस्याओं को हल करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन दूसरों को नहीं।

मामलों को जटिल करने के लिए, कंप्यूटर के प्रदर्शन से यह जानना संभव नहीं है कि यह एक क्वांटम कंप्यूटर है। इसके बजाय यह एक बहुत ही कुशल पारंपरिक कंप्यूटर हो सकता है। Google और Lidar (जो Google के लिए काम नहीं करते हैं) डी-वेव के समान दृष्टिकोण का उपयोग कर रहे हैं; हालाँकि, अंतर यह है कि वे यह नियंत्रित करने का लक्ष्य रखते हैं कि कैसे एक दूसरे को प्रभावित करते हैं। उस से, वे यह साबित करने की उम्मीद करते हैं कि यह दृष्टिकोण एक क्वांटम कंप्यूटर की ओर जाता है।

क्वांटम समाधान की तलाश में एक समस्या

अधिकांश लोग, यदि वे क्वांटम कंप्यूटर के बारे में जानते हैं, तो उन्हें ब्रेकिंग एन्क्रिप्शन से जोड़ते हैं। आधुनिक-दिन की क्रिप्टोग्राफी इस तथ्य पर निर्भर करती है कि बहुत बड़ी संख्या के प्रमुख कारकों को खोजना बहुत कठिन है।

एक व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर, सबसे अधिक संभावना है, उस पर एक अंत डाल देगा। लेकिन कम-भयावह अनुप्रयोग हैं।

विकास के तहत सबसे रोमांचक एक क्वांटम यांत्रिकी समस्याओं का समाधान करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग कर रहा है। यह वह अनुप्रयोग है जो संभवतः दुनिया को बदल देगा।

क्वांटम मैकेनिक्स आपके कपड़ों में कपास से लेकर पौधों में प्रकाश संश्लेषण तक सामग्री के गुणों का वर्णन करता है। यहां तक ​​कि सबसे शक्तिशाली पारंपरिक कंप्यूटरों के साथ, लगभग 30 से अधिक परमाणुओं वाले किसी भी अणु के गुणों की गणना करना बहुत असंभव है। इसके बजाय, हम शॉर्टकट लेते हैं, जो हमेशा बहुत अच्छी तरह से काम नहीं करते हैं।

एक क्वांटम कंप्यूटर अधिक सटीक हो सकता है, इसलिए हम उस गणना में बहुत अधिक विश्वास कर सकते हैं। वैज्ञानिक बहुत अधिक बाहरी गुणों की कल्पना कर सकते हैं, जैसे कि धूप के संपर्क में आने पर ठंडा होने वाली सामग्री और फिर आवश्यक संरचना निर्धारित करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करना। और वास्तव में असंभव है कि बाहरी गुणों को और अधिक तेजी से समाप्त किया जा सकता है।

कितने समीप हैं हम?

क्वांटम कंप्यूटर सिद्धांत रूप में 1990 के दशक में पहले प्रदर्शनों के साथ पहुंचे। फिर भी, आपके रहस्य सुरक्षित हैं, और आपको क्वांटम कंप्यूटर नहीं मिलेगा जो आपके बैंक खाते में नापाक बातें कर रहा हो। लिडार जैसे शोधकर्ता कुछ समय के लिए व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर की उम्मीद नहीं करते हैं।

लिडार का कहना है कि ऐसी दुनिया में 100 क्वांटम के साथ जहां क्वांटम एरर करेक्शन की कोई जरूरत नहीं है, "हम क्वांटम कंप्यूटरों का इस्तेमाल करते हुए क्वांटम सिस्टम का इस्तेमाल ऐसे पैमाने पर करना शुरू कर सकेंगे, जो सबसे शक्तिशाली क्लासिकल कंप्यूटरों से आगे बढ़ सके।"

लेकिन शोधकर्ताओं ने एक लक्ष्य कहा है, खतरनाक रूप से, क्वांटम वर्चस्व। अपने भव्य नाम के बावजूद, क्वांटम वर्चस्व केवल यह दिखा रहा है कि पारंपरिक कंप्यूटर की क्षमताओं से परे किसी भी समस्या, यहां तक ​​कि कोई भी व्यावहारिक मूल्य नहीं है, क्वांटम कंप्यूटर पर हल किया जा सकता है।

यह दर्शाना कि क्वांटम कंप्यूटर पूर्वानुमान के अनुसार प्रदर्शन कर सकते हैं, एक महत्वपूर्ण कदम है, और कोई भी जो पूरी तरह से सुनिश्चित नहीं है, वह होगा। लेकिन इसके बाद ही हम वास्तव में भरोसा कर सकते हैं कि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर अपने वादों को पूरा कर सकते हैं।

लिडार एक ऐसे कंप्यूटर को देखने की उम्मीद करता है जो अगले 12 महीनों में क्वांटम वर्चस्व प्राप्त करने में सक्षम होना चाहिए। Google, विशेष रूप से, जितनी जल्दी हो सके क्वांटम वर्चस्व प्राप्त करने का लक्ष्य रखता है, जबकि आईबीएम अधिक सतर्क दृष्टिकोण ले रहा है।

उसके बाद, एक अजीब लेकिन रोमांचक भविष्य हमें इंतजार कर रहा है।