क्वांटम कंप्यूटर वास्तविक सामग्री विज्ञान में एक कदम बढ़ाते हैं

नवीन सामग्रियों का अध्ययन और डिजाइन करना क्वांटम यांत्रिकी का एक केंद्रीय अनुप्रयोग है। रसायनज्ञ, भौतिक वैज्ञानिक और भौतिक विज्ञानी क्वांटम सामग्रियों में सूक्ष्म अंतःक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित करते हैं और उन्हें उजागर करने के लिए वे परिष्कृत कम्प्यूटेशनल और प्रयोगात्मक तकनीकों पर भरोसा करते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन जो सूक्ष्म क्वांटम इंटरैक्शन को मापने योग्य सामग्री गुणों से जोड़ते हैं, संरचना को कार्य से जोड़ने के लिए प्रयोगात्मक डेटा को पूरक करते हैं – लेकिन शास्त्रीय कंप्यूटर उन गुणों को अनुकरण करने के लिए संघर्ष कर सकते हैं। सौभाग्य से, वैज्ञानिकों के पास आज उनके टूलबॉक्स में एक नया उपकरण है: क्वांटम कंप्यूटर।

नए प्रीप्रिंट में, ओक रिज नेशनल लैब (ओआरएनएल) के क्वांटम साइंस सेंटर (क्यूएससी), पर्ड्यू विश्वविद्यालय, लॉस एलामोस प्रयोगशाला, अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय, टेनेसी विश्वविद्यालय और आईबीएम के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अच्छी तरह से अध्ययन किए गए चुंबकीय सामग्री, केसीयूएफ के ऊर्जा-गति स्पेक्ट्रम की गणना करने के लिए क्वांटम सिमुलेशन का उपयोग किया।$_{3}$न्यूट्रॉन प्रकीर्णन के माध्यम से मापे गए स्पेक्ट्रा के साथ मजबूत सहमति दिखा रहा है (नीचे चित्र देखें)।

क्वांटम सिमुलेशन ने आईबीएम क्वांटम हेरॉन प्रोसेसर को नियोजित किया, जबकि प्रयोगात्मक डेटा ओआरएनएल में स्पैलेशन न्यूट्रॉन सोर्स (एसएनएस) और यूनाइटेड किंगडम में रदरफोर्ड एपलटन प्रयोगशाला में न्यूट्रॉन स्रोतों से प्राप्त किया गया था। यह कार्य रिचर्ड फेनमैन के दृष्टिकोण की एक और प्राप्ति के रूप में कार्य करता है: ब्याज की क्वांटम प्रणाली के गुणों का अनुकरण करने के लिए एक अच्छी तरह से नियंत्रित, प्रोग्रामयोग्य क्वांटम प्रणाली का उपयोग।

लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी में संघनित पदार्थ भौतिक विज्ञानी, अध्ययन के सह-लेखक एलन शेही ने कहा, “यह प्रयोगात्मक डेटा और क्वबिट सिमुलेशन के बीच मैंने देखा सबसे प्रभावशाली मिलान है, और यह निश्चित रूप से क्वांटम कंप्यूटर से उम्मीद की जा सकती है।”

KCuF के एक नमूने पर बमबारी करके$_{3}$ न्यूट्रॉन के साथ और बिखरे हुए न्यूट्रॉन की ऊर्जा और गति को मापकर, प्रयोगकर्ता सामग्री की गतिशील और संरचनात्मक गुणों की जांच कर सकते हैं। पर्ड्यू विश्वविद्यालय में भौतिकी और खगोल विज्ञान के सहायक प्रोफेसर, प्रमुख अन्वेषक अर्नब बनर्जी के अनुसार, न्यूट्रॉन सिस्टम के साथ कमजोर रूप से बातचीत करते हैं, इसलिए वे सामग्री की वास्तविक स्थिति पर बहुत साफ डेटा प्रदान करते हैं। जब एक न्यूट्रॉन किसी नमूने से टकराता है, तो यह गड़बड़ी के सरलतम स्तर से परे सामग्री की स्थिति या तापमान को नहीं बदलता है। बनर्जी ने कहा, “इसका मतलब है कि आप एक भरोसेमंद सैद्धांतिक मॉडल प्राप्त करने और सामग्री के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए न्यूट्रॉन बिखरने के परिणामों पर भरोसा कर सकते हैं।”

हालाँकि, क्योंकि प्रयोग द्वारा मापी गई मात्राएँ उलझे हुए कई स्पिनों की गतिशीलता को कूटबद्ध करती हैं, इसलिए उन्हें शास्त्रीय रूप से गणना करना बेहद मुश्किल हो सकता है। बनर्जी ने कहा, “चुंबकीय सामग्रियों पर न्यूट्रॉन प्रकीर्णन का इतना अधिक डेटा है कि हम अनुमानित शास्त्रीय तरीकों की सीमाओं के कारण पूरी तरह से समझ नहीं पाते हैं।”

क्वांटम कंप्यूटर से लंबे समय से ऐसी सामग्री सिमुलेशन को सक्षम करने की उम्मीद की जाती रही है जो शास्त्रीय तरीकों के लिए चुनौतीपूर्ण है। क्वांटम हार्डवेयर और संसाधन आकलन में प्रगति के बावजूद, यह स्पष्ट नहीं है कि वर्तमान, पूर्व-दोष सहनशील क्वांटम कंप्यूटर अपने सीमित गेट बजट के साथ वास्तविक सामग्रियों का अनुकरण करने में सक्षम हैं या नहीं। न्यूट्रॉन प्रकीर्णन से ऊर्जा-संवेग स्पेक्ट्रम का अनुकरण करना एक विशेष रूप से अच्छा उम्मीदवार था, क्योंकि न्यूट्रॉन के साथ सामग्रियों में स्पिन की बातचीत को क्वांटम सर्किट में आसानी से मैप किया जा सकता है।

बनर्जी ने कहा, ”एक स्पिन एक क्वबिट एक स्पिन है।” “क्वांटम कंप्यूटिंग न्यूट्रॉन स्कैटरिंग के समान ही अवलोकन प्रदान करता है।” और इस कुशल मैपिंग के बावजूद, वर्तमान उपकरणों पर इस तरह के सिमुलेशन की व्यवहार्यता एक प्रश्न चिह्न बनी हुई है। अध्ययन के प्रमुख लेखकों में से एक, आईबीएम के अनुसंधान वैज्ञानिक बिबेक पोखरेल ने कहा, “जब हमने इस परियोजना को शुरू किया, तो यह हमारे लिए स्पष्ट नहीं था कि इस सिमुलेशन के लिए कितने क्यूबिट और गेट की आवश्यकता होगी।”

लेकिन जैसा कि अध्ययन से पता चला है, इस काम में प्राप्त सिमुलेशन सटीकता के लिए क्वांटम प्रोसेसर के पैमाने और गुणवत्ता में प्रगति महत्वपूर्ण थी। आईबीएम के प्रमुख अनुसंधान वैज्ञानिक, अध्ययन के सह-लेखक अभिनव कंडाला ने कहा, “ये परिणाम वास्तव में सिमुलेशन के लिए उपयोग किए गए सभी पचास क्यूबिट में कम त्रुटि दर द्वारा सक्षम किए गए थे।” हार्डवेयर प्रगति को एक शोर-मजबूत एल्गोरिथ्म द्वारा पूरक किया गया था, और क्वांटम सर्किट की सर्किट गहराई को कम करने के लिए इलिनोइस कैंपस क्लस्टर में शास्त्रीय कंप्यूटिंग संसाधनों का उपयोग किया गया था। यह दृष्टिकोण आईबीएम के क्वांटम-केंद्रित सुपरकंप्यूटिंग के व्यापक दृष्टिकोण के साथ संरेखित है: उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग (एचपीसी) और क्वांटम संसाधनों का युग्मन वैज्ञानिक समस्याओं के लिए अपने आप में किसी भी तकनीक की तुलना में अधिक सक्षम और उपयोगी साबित होगा। कंडाला ने कहा, “कुल मिलाकर, यह देखना काफी आश्चर्यजनक था कि आप वास्तव में क्वांटम कंप्यूटर को एक नए कम्प्यूटेशनल टूल के रूप में उपयोग कर सकते हैं, जिसमें अब वास्तविक प्रयोगात्मक डेटा में सुविधाओं को पकड़ने के लिए पर्याप्त वर्णक्रमीय रिज़ॉल्यूशन है।”

जबकि क्वांटम कंप्यूटर स्पिन हैमिल्टनियन का अनुकरण करने के लिए उपयुक्त हैं, उपयुक्त एन्कोडिंग के साथ वे कई क्वांटम सामग्रियों के लिए प्रासंगिक हैमिल्टनियन के एक व्यापक वर्ग का अनुकरण भी कर सकते हैं। यह यूनिवर्सल गेट्स के साथ एक एकल क्वांटम प्रोसेसर बनाता है, जो कई सामग्रियों का अनुकरण करने में सक्षम है। ओआरएनएल में क्यूएससी के निदेशक ट्रैविस हम्बल ने कहा, “सामग्रियों और उनके प्रयोगात्मक लक्षण वर्णन के लिए यथार्थवादी मॉडल का क्वांटम सिमुलेशन वैज्ञानिक खोज वर्कफ़्लो पर क्वांटम कंप्यूटिंग के प्रभाव का एक प्रमुख प्रदर्शन है।” दरअसल, शोधकर्ताओं ने अधिक जटिल इंटरैक्शन के साथ कोबाल्ट-आधारित सामग्रियों के दूसरे परिवार के गुणों का अनुकरण करने के लिए उसी प्रोसेसर की प्रोग्रामेबिलिटी और यूनिवर्सल गेट सेट का लाभ उठाया।

यह कार्य इस बात की पुष्टि करता है कि क्वांटम कंप्यूटर दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटिंग के आगमन से पहले भी, विश्वसनीय क्वांटम सिमुलेटर के रूप में उपयोगी अनुप्रयोग पा सकते हैं।

आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ता KCuF की तुलना में उच्च आयामीता और जटिलता वाले क्वांटम सामग्रियों पर इस प्रकार के सिमुलेशन को लागू करने की योजना बना रहे हैं$_{3}$. बनर्जी आशावादी हैं कि आगे वास्तविक दुनिया की सामग्रियों के लक्षण वर्णन और उनके सिमुलेशन एक फीडबैक लूप बनाएंगे जो सिमुलेशन को इस हद तक बेहतर बनाता है कि उनका उपयोग नई सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है।