परिचय: क्वांटम कंप्यूटर द्वारा लाया गया “गणना का प्रतिमान बदलाव”

हाल के वर्षों में, ऐसा कोई दिन नहीं जाता जब हम समाचारों या तकनीकी लेखों में “क्वांटम कंप्यूटर” शब्द न देखें। साइंस फिक्शन फिल्मों जैसी कहानियाँ जैसे “यह उन गणनाओं को कुछ मिनटों में पूरा कर लेगा जिनमें वर्तमान सुपरकंप्यूटरों को हजारों साल लगेंगे” या “वर्तमान की सभी क्रिप्टोग्राफ़िक तकनीकें टूट सकती हैं”, सच के रूप में बताई जा रही हैं। Google, IBM और Microsoft जैसी विशाल IT कंपनियों से लेकर दुनिया भर के विश्वविद्यालयों और स्टार्टअप्स तक, हर कोई इस सपनों की तकनीक को व्यावहारिक बनाने के लिए प्रतिस्पर्धा कर रहा है।

हालाँकि, जब पूछा जाता है, “आख़िर क्वांटम कंप्यूटर क्या है?”, तो बहुत कम लोग सटीक उत्तर दे पाते हैं। बहुत से लोगों के मन में “एक जादुई डिब्बा जो एक ही समय में सभी संयोजनों की गणना कर सकता है” जैसी एक अस्पष्ट छवि होती है, लेकिन तकनीकी रूप से यह सही नहीं है।

इस लेख में, हम बुनियादी बातों से पूरी तरह से, पेशेवर लेकिन समझने में आसान तरीके से समझाएंगे कि क्वांटम कंप्यूटर मौलिक रूप से शास्त्रीय कंप्यूटरों (हम आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले PC या स्मार्टफोन) से कैसे भिन्न हैं, और वे गणना के लिए “सुपरपोजिशन (Superposition)”, “क्वांटम उलझाव (Entanglement)” और “क्वांटम गेट्स (Quantum gates)” जैसी रहस्यमय क्वांटम यांत्रिक घटनाओं का उपयोग कैसे करते हैं। जब तक आप इस लेख को पढ़ना समाप्त करेंगे, तब तक आपको क्वांटम कंप्यूटर की वास्तविक शक्ति और इसकी वर्तमान चुनौतियों को स्पष्ट रूप से समझ लेना चाहिए।

अध्याय 1: शास्त्रीय कंप्यूटर और क्वांटम कंप्यूटर के बीच निर्णायक अंतर

क्वांटम कंप्यूटर कैसे काम करते हैं, यह समझने के लिए, हमें पहले यह समीक्षा करनी होगी कि हम वर्तमान में जिन “शास्त्रीय कंप्यूटरों” का उपयोग करते हैं वे कैसे काम करते हैं।

तुलना तालिका: शास्त्रीय कंप्यूटर बनाम क्वांटम कंप्यूटर

शास्त्रीय कंप्यूटरों की दुनिया: 0 या 1 का “बिट (Bit)”

एक शास्त्रीय कंप्यूटर सभी सूचनाओं को “0” या “1” की स्थिति के रूप में दर्शाता है। इसे बिट (Bit) कहा जाता है। भौतिक रूप से, इसे अर्धचालक चिप पर ट्रांजिस्टर के उच्च (1) या निम्न (0) वोल्टेज द्वारा दर्शाया जाता है। आपके स्मार्टफोन में उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली तस्वीरें, आपके द्वारा अभी पढ़ा जा रहा यह पाठ, और आपके पसंदीदा YouTube वीडियो सभी अंततः “0 और 1 के अनुक्रमों” की एक विशाल संख्या में कम हो जाते हैं। गणना इस 0 और 1 के अनुक्रम में AND, OR और NOT जैसे बुनियादी तार्किक सर्किटों को मिलाकर संचालन लागू करने की प्रक्रिया के अलावा और कुछ नहीं है। यह एक बहुत ही निश्चित और नियतात्मक दुनिया है। यदि इनपुट समान है, तो आउटपुट हमेशा समान होगा।

क्वांटम कंप्यूटरों की दुनिया: 0 और 1 का “क्वांटम बिट (Qubit)”

दूसरी ओर, एक क्वांटम कंप्यूटर की न्यूनतम सूचना इकाई को क्वांटम बिट (Qubit: Quantum bit) कहा जाता है। क्वांटम बिट की सबसे बड़ी विशेषता यह है कि यह केवल एक शास्त्रीय बिट की तरह “0” या “1” स्थिति में नहीं होता है, बल्कि “ऐसी स्थिति में होता है जहां 0 और 1 एक विशिष्ट संभाव्यता के साथ मिश्रित होते हैं”। इसे “सुपरपोजिशन (Superposition)” कहा जाता है।

उदाहरण के लिए, यदि एक शास्त्रीय बिट एक सिक्का है जिसे “चित” या “पट” के साथ रखा जाता है, तो एक क्वांटम बिट की तुलना अक्सर “हवा में घूमते हुए सिक्के” से की जाती है। एक घूमते हुए सिक्के को न तो चित कहा जा सकता है और न ही पट, और दोनों स्थितियां सुपरइम्पोज़ (अतिव्यापी) होती हैं। फिर, जिस क्षण सिक्का फर्श पर गिरता है और चलना बंद कर देता है (इसे क्वांटम यांत्रिकी में “अवलोकन” कहा जाता है), यह पहली बार निर्धारित होता है कि यह “चित” या “पट”।

क्वांटम कंप्यूटर इस गुण को शामिल करते हैं, जो सूक्ष्म दुनिया (क्वांटम यांत्रिकी) के लिए अद्वितीय है, जहां “स्थिति तब तक निर्धारित नहीं होती है जब तक कि यह अवलोकन न किया जाए”, सीधे सूचना प्रसंस्करण प्रक्रिया में।

अध्याय 2: 3 क्वांटम यांत्रिक गुण जो मौलिक रूप से गणना को बदलते हैं

क्वांटम कंप्यूटरों की अद्भुत गणना शक्ति का स्रोत केवल उच्च क्लॉक आवृत्ति या छोटे घटकों का होना नहीं है। यह इस तथ्य में निहित है कि वे भौतिकी के नियमों का उपयोग गणना संसाधनों के रूप में करते हैं। निम्नलिखित तीन क्वांटम यांत्रिक घटनाएं मुख्य कुंजियां हैं।

1. सुपरपोजिशन (Superposition) और घातीय सूचना मात्रा

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया জ্ঞ, क्वांटम बिट्स एक ही समय में 0 और 1 दोनों स्थितियों को पकड़ सकते हैं। एक क्वांटम बिट “0 और 1 का सुपरपोजिशन” है, लेकिन क्या होता है जब आप क्वांटम बिट्स की संख्या बढ़ाते हैं?

• 1 क्वांटम बिट: 2 स्थितियों का सुपरपोजिशन (0, 1)
• 2 क्वांटम बिट्स: 4 स्थितियों का सुपरपोजिशन (00, 01, 10, 11)
• 3 क्वांटम बिट्स: 8 स्थितियों का सुपरपोजिशन
• N क्वांटम बिट्स: $2^N$ पैटर्न का सुपरपोजिशन

केवल 50 क्वांटम बिट्स के साथ, आप एक ही समय में $2^{50}$ (लगभग 1.1 क्वाड्रिलियन) स्थितियों को धारण कर सकते हैं। और केवल 300 क्वांटम बिट्स के साथ, आप एक ही समय में $2^{300}$ पैटर्न (ब्रह्मांड में सभी परमाणुओं की संख्या से अधिक!) धारण कर सकते हैं। यह घातीय सूचना प्रतिधारण क्षमता क्वांटम कंप्यूटरों की क्षमता का आधार है। एक शास्त्रीय कंप्यूटर के लिए स्मृति में ब्रह्मांड में परमाणुओं की संख्या से अधिक स्थितियों को संग्रहीत करना भौतिक रूप से असंभव है।

2. क्वांटम उलझाव (Entanglement): डरावनी दूर की कार्रवाई

क्वांटम उलझाव एक अजीब घटना है जो मानवीय अंतर्ज्ञान के इतनी खिलाफ है कि आइंस्टीन ने इसे “दूरी पर डरावनी कार्रवाई (Spooky action at a distance)” कहा और इसे जीवन भर स्वीकार नहीं किया।

जब कई क्वांटम बिट्स “क्वांटम उलझाव” की स्थिति में प्रवेश करते हैं, तो वे एक-दूसरे से मजबूती से बंध जाते हैं, और एक भाग्य-साझा करने वाला रिश्ता बन जाता है जहां “जब एक की स्थिति निर्धारित होती है, तो दूसरे की स्थिति तुरंत निर्धारित हो जाती है, चाहे वे कितनी भी दूर हों” ।

उदाहरण के लिए, मान लीजिए कि हमारे पास दो क्वांटम बिट्स A और B हैं जो उलझी हुई अवस्था में हैं (वे प्रत्येक 0 और 1 की सुपरपोजिशन स्थिति में हैं)। यदि हम A का अवलोकन करते हैं और पाते हैं कि यह “0” है, तो प्रकाश की गति से अधिक गति से, जो सूचना संचरण की सीमा है, B की स्थिति तुरंत निर्धारित हो जाएगी (उदाहरण के लिए, यह हमेशा “1” होगा)। क्वांटम कंप्यूटरों में, इस क्वांटम उलझाव का उपयोग कई क्वांटम बिट्स के बीच जटिल सहसंबंधों को व्यक्त करने और बड़े पैमाने पर समानांतर सूचना प्रसंस्करण करने के लिए किया जाता है। उलझाव के बिना, क्वांटम कंप्यूटरों की कम्प्यूटेशनल शक्ति शास्त्रीय कंप्यूटरों से बहुत अलग नहीं होगी।

3. क्वांटम हस्तक्षेप (Quantum Interference): वह जादू जो सही उत्तर को सामने लाता है

आप सोच सकते हैं, “यदि यह एक ही समय में सभी पैटर्नों को धारण कर सकता है, तो क्या यह एक ही बार में समानांतर में गणना नहीं कर सकता है और तुरंत उत्तर प्राप्त नहीं कर सकता है?” यह क्वांटम कंप्यूटरों के बारे में सबसे आम गलतफहमी है। भले ही आप सुपरपोजिशन अवस्था में गणना करते हैं, अंततः उत्तर जानने के लिए आपको “अवलोकन” करना होगा। हालाँकि, जिस क्षण आप इसका अवलोकन करते हैं, स्थिति यादृच्छिक रूप से $2^N$ पैटर्न में से एक में ढह जाती है। इसके साथ, आपको केवल एक यादृच्छिक (random) उत्तर मिलता है।

यहीं पर “क्वांटम हस्तक्षेप (Interference)” खेल में आता है। जब तरंगें एक-दूसरे से टकराती हैं, तो वे एक-दूसरे को मजबूत करती हैं जहां उनकी तरंग दैर्ध्य मेल खाती है, और जहां वे संरेखण से बाहर होती हैं वहां एक-दूसरे को रद्द कर देती हैं (यह अनिवार्य रूप से शोर-रद्द करने वाले इयरफ़ोन के समान सिद्धांत है)।

एक उत्कृष्ट “क्वांटम एल्गोरिथ्म” गणना प्रक्रिया के दौरान चतुराई से क्वांटम स्थितियों में हेरफेर करता है ताकि “उन स्थितियों (तरंगों) के संभाव्यता आयामों को बढ़ाया जा सके जो सही उत्तर की ओर ले जाते हैं” और “उन स्थितियों के संभाव्यता आयामों को रद्द किया जा सके जो गलत उत्तर की ओर ले जाते हैं” । और जब आप अंततः इसका अवलोकन करते हैं, तो यह ऐसा करता है कि “सही उत्तर” लगभग 100% की संभावना के साथ निकल आता है। इस हस्तक्षेप प्रक्रिया को सफलतापूर्वक डिज़ाइन करना क्वांटम प्रोग्रामिंग का सार है।

अध्याय 3: यह गणना कैसे करता है? “क्वांटम गेट्स” और “क्वांटम सर्किट”

जिस तरह शास्त्रीय कंप्यूटर गणना को आगे बढ़ाने के लिए लॉजिक गेट्स (AND, OR, NOT, आदि) का उपयोग करते हैं, उसी तरह क्वांटम कंप्यूटर भी गणना को आगे बढ़ाने के लिए क्वांटम बिट्स पर “क्वांटम गेट्स (Quantum Gates)” नामक संचालन लागू करते हैं। कई क्वांटम गेट्स के संयोजन को ** क्वांटम सर्किट (Quantum Circuit) ** कहा जाता है।

क्वांटम बिट की स्थिति को गणितीय रूप से 3-आयामी क्षेत्र की सतह पर एक बिंदु के रूप में दर्शाया जाता है जिसे “बलोच क्षेत्र (Bloch sphere)” कहा जाता है। उत्तरी ध्रुव “0” है, दक्षिणी ध्रुव “1” है, और भूमध्य रेखा “ऐसी स्थिति है जहां 0 और 1 आधे-आधे सुपरइम्पोज़ होते हैं”। एक क्वांटम गेट इस क्षेत्र की सतह पर स्थिति (वेक्टर) को घुमाने के अलावा और कुछ नहीं है।

आइए कुछ विशिष्ट क्वांटम गेट्स का परिचय दें।

1. हैडामर्ड गेट (H गेट)

यह एक क्वांटम कंप्यूटर के लिए अद्वितीय सबसे बुनियादी गेट है, जो शास्त्रीय कंप्यूटरों में मौजूद नहीं है। जब एक क्वांटम बिट पूरी तरह से “0” स्थिति में H गेट से गुजरता है, तो यह एक “पूर्ण सुपरपोजिशन स्थिति” (बलोच क्षेत्र पर भूमध्य रेखा पर एक बिंदु) बनाता है जहां 0 और 1 ठीक आधे समय देखे जाते हैं। कई एल्गोरिदम क्वांटम गणना के लिए आरंभीकरण कदम के रूप में सभी क्वांटम बिट्स में इस H गेट को लागू करके शुरू होते हैं।

2. पाउली गेट (X, Y, Z गेट)

वे गेट जिनमें शास्त्रीय कंप्यूटर के NOT गेट (0 को 1 में, और 1 को 0 में बदलना) के बराबर संचालन शामिल हैं। बलोच क्षेत्र में, यह X-अक्ष, Y-अक्ष और Z-अक्ष के चारों ओर 180 डिग्री घूमने के बराबर है। विशेष रूप से, X गेट उत्तरी ध्रुव (0) को दक्षिणी ध्रुव (1) में उलट देता है, इसलिए यह बिल्कुल शास्त्रीय NOT गेट की तरह काम करता है। Z गेट की सुपरपोजिशन के “चरण (तरंग के समय जैसी कोई चीज़)” को उलटने की भूमिका होती है, और यह क्वांटम हस्तक्षेप पैदा करने में अत्यंत महत्वपूर्ण है।

3. CNOT गेट (नियंत्रित NOT गेट)

क्वांटम उलझाव बनाने के लिए यह एक अति-महत्वपूर्ण गेट है। यह दो क्वांटम बिट्स (नियंत्रण बिट और लक्ष्य बिट) का उपयोग करता है। यह इस तरह से काम करता है: “यदि नियंत्रण बिट 1 है, तो लक्ष्य बिट की स्थिति उलट जाती है (X गेट)। यदि नियंत्रण बिट 0 है, तो यह कुछ नहीं करता है।” पहली नज़र में, यह एक साधारण IF शर्त शाखा की तरह लगता है, लेकिन क्या होता है यदि नियंत्रण बिट “0 और 1 की सुपरपोजिशन स्थिति” में है? लक्ष्य बिट “उलटे और बिना उलटे का सुपरपोजिशन स्थिति” में होगा, और दोनों बिट्स का भाग्य पूरी तरह से जुड़ जाएगा। दो क्वांटम बिट्स खूबसूरती से “उलझ (entangled)” जाते हैं।

इन गेट्स को संगीत स्कोर की तरह बाएं से दाएं क्रम में रखकर और लागू करके, जटिल एल्गोरिदम निष्पादित किए जाते हैं।

अध्याय 4: क्वांटम कंप्यूटर किसमें अच्छे हैं और किसमें खराब?

यहां एक महत्वपूर्ण तथ्य बताया गया है: क्वांटम कंप्यूटर सर्वशक्तिमान ईश्वर नहीं हैं। हर रोज़ के कामों जैसे वेब ब्राउज़िंग, वीडियो रेंडरिंग, एक्सेल मैक्रो प्रोसेसिंग, या सामान्य स्मार्टफोन ऐप ऑपरेशंस में, क्वांटम कंप्यूटर शायद कभी भी शास्त्रीय कंप्यूटरों को पार नहीं कर पाएंगे। ये अनुक्रमिक प्रक्रियाएँ पहले से ही अत्यधिक अनुकूलित हैं, और भारी गति और सस्तेपन का दावा करने वाले शास्त्रीय कंप्यूटर इनके लिए अधिक उपयुक्त हैं।

क्वांटम कंप्यूटरों का वास्तविक मूल्य केवल “विशिष्ट समस्याओं के लिए महसूस किया जाता है जहां शास्त्रीय कंप्यूटरों में गणना संयोजनों की संख्या तेजी से बढ़ती है, और ब्रह्मांड के जीवनकाल जितना समय लगता है” । इसे “क्वांटम सर्वोच्चता (Quantum Supremacy)” या “क्वांटम लाभ (Quantum Advantage)” कहा जाता है।

क्वांटम कंप्यूटर किसमें अच्छे हैं (किलर एप्लिकेशन)

1. अभाज्य गुणनखंडन और डिक्रिप्शन (शोर का एल्गोरिथ्म)

वर्तमान में, इंटरनेट पर सुरक्षित संचार (क्रेडिट कार्ड से भुगतान और व्यक्तिगत जानकारी का प्रसारण आदि) की रक्षा करने वाला “RSA क्रिप्टोग्राफी” इस आधार पर आधारित है कि “शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए बड़ी संख्याओं का अभाज्य गुणनखंडन व्यावहारिक रूप से असंभव है (इसमें बहुत समय लगता है)"। हालाँकि, 1994 में गणितज्ञ पीटर शोर द्वारा खोजे गए “शोर के एल्गोरिथ्म” का उपयोग करके, एक क्वांटम कंप्यूटर बड़ी चतुराई से हस्तक्षेप का उपयोग करके नाटकीय गति (बहुपद समय) से इसे हल कर सकता है। इसके परिणामस्वरूप, भविष्य में वर्तमान क्रिप्टोग्राफ़िक प्रणाली के ढहने का जोखिम है, और दुनिया भर के केंद्रीय बैंक और सरकारी एजेंसियां “क्वांटम-प्रतिरोधी क्रिप्टोग्राफी (Post-Quantum Cryptography)” में संक्रमण के लिए जल्दबाजी कर रही हैं।

2. क्वांटम रासायनिक गणना और नई सामग्री/दवा विकास

प्रकृति में अणुओं और परमाणुओं का व्यवहार स्वाभाविक रूप से क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करता है। जब हम एक शास्त्रीय कंप्यूटर के साथ जटिल अणुओं के व्यवहार का अनुकरण करने का प्रयास करते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों के बीच बातचीत के संयोजन विस्फोट हो जाते हैं, और अपेक्षाकृत छोटे अणुओं के साथ भी हम कम्प्यूटेशनल सीमा तक पहुंच जाते हैं। जैसा कि नोबेल पुरस्कार विजेता भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन ने कहा था, “यदि आप प्रकृति का अनुकरण करना चाहते हैं, तो आपको इसे क्वांटम यांत्रिक रूप से करना होगा”, क्वांटम कंप्यूटर सामग्री सिमुलेशन में भारी देशी शक्ति का प्रदर्शन करते हैं। सफल नई दवाओं का डिज़ाइन, कमरे के तापमान वाली सुपरकंडक्टिंग सामग्री की खोज, उच्च दक्षता वाली सौर कोशिकाओं और बैटरी सामग्री का विकास, और ऊर्जा-कुशल उर्वरकों का संश्लेषण ऐसी कुछ सफलताएं हैं जिनसे मानवीय समस्याओं को हल करने की उम्मीद है।

3. संयोजन अनुकूलन समस्याएं और खोज (ग्रोवर का एल्गोरिथ्म)

विकल्पों की एक विशाल संख्या (लॉजिस्टिक्स ऑप्टिमाइज़ेशन रूट, वित्तीय पोर्टफोलियो ऑप्टिमाइज़ेशन, आदि) से सर्वश्रेष्ठ को खोजने की समस्या के लिए भी, क्वांटम एल्गोरिदम अपनी शक्ति दिखाते हैं। “ग्रोवर के एल्गोरिथ्म” का उपयोग करके, आप असंरचित डेटाबेस से शास्त्रीय कंप्यूटर के वर्गमूल (स्क्वायर रूट) के समय में वांछित डेटा पा सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि 100 मिलियन डेटा आइटम हैं, तो एक शास्त्रीय कंप्यूटर जिसे खोजने में 100 मिलियन बार तक का समय लगता है, उसे केवल 10,000 बार में पूरा किया जा सकता है।

अध्याय 5: हार्डवेयर की दीवार जो रास्ते में खड़ी है: “डिकोहेरेंस” और “क्वांटम त्रुटि सुधार”

हालांकि सैद्धांतिक रूप से जादुई रूप से शक्तिशाली, क्वांटम कंप्यूटरों के व्यावहारिक अनुप्रयोग के रास्ते में एक बहुत ही उच्च और खड़ी भौतिक दीवार है। सबसे बड़ा दुश्मन “शोर (Noise)” है।

क्वांटम बिट्स का “सुपरपोजिशन” और “क्वांटम उलझाव” बेहद नाजुक और नाजुक अवस्थाएँ हैं। बस परिवेशी गर्मी, विद्युत चुम्बकीय उतार-चढ़ाव, या कॉस्मिक किरणों को छूने से, जादुई स्थिति तुरंत ढह जाती है और केवल एक शास्त्रीय बिट बन जाती है। इस घटना को “डिकोहेरेंस (क्वांटम पतन)” कहा जाता है।

भौतिक प्राप्ति विधियों के लिए भयंकर प्रतिस्पर्धा

वर्तमान में, इन नाजुक क्वांटम बिट्स को भौतिक रूप से कैसे बनाया जाए, इस पर दुनिया भर में विभिन्न तरीकों पर शोध किया जा रहा है, और वर्चस्व की लड़ाई हो रही है।

• सुपरकंडक्टिंग विधि (Superconducting) : Google, IBM, Amazon, आदि द्वारा अपनाया गया। एक लूप-आकार के सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग किया जाता है, और क्वांटम स्थिति को नियंत्रित करने के लिए इसे एक विशाल रेफ्रिजरेटर के साथ पूर्ण शून्य (लगभग -273°C) के करीब क्रायोजेनिक तापमान तक ठंडा किया जाता है। यह वर्तमान में सबसे अग्रणी तरीका है और क्वांटम बिट्स की संख्या बढ़ाना आसान है, लेकिन शीतलन उपकरण बहुत बड़ा और महंगा है।
• आयन ट्रैप विधि (Trapped Ion) : IonQ, Quantinuum, आदि द्वारा अपनाया गया। आयनों (परमाणुओं) को विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का उपयोग करके निर्वात में फंसाया जाता है, और उन्हें नियंत्रित करने के लिए सटीक लेजर लागू किए जाते हैं। ताकत यह है कि सभी क्वांटम बिट्स एक समान हैं और स्थिति को लंबे समय तक बनाए रखा जा सकता है (लंबा सुसंगतता समय), लेकिन चुनौती यह है कि संचालन की गति सुपरकंडक्टिंग विधि की तुलना में धीमी है।
• ऑप्टिकल क्वांटम विधि (Photonic) : PsiQuantum, आदि द्वारा केंद्रित। प्रकाश के कणों (फोटोन) का उपयोग किया जाता है। क्रायोजेनिक वातावरण की आवश्यकता नहीं होती है और कई हिस्से कमरे के तापमान पर काम বৃহত্তর करते हैं, जिसका बड़ा फायदा मौजूदा सिलिकॉन चिप निर्माण तकनीक और ऑप्टिकल फाइबर संचार तकनीक के अनुकूल होना है।
• टोपोलॉजिकल विधि (Topological) : माइक्रोसॉफ्ट द्वारा कई वर्षों तक शोध किया गया। यह एनीन्स नामक विशेष कणों के टोपोलॉजिकल (टॉपोलॉजिकल) गुणों का उपयोग करके क्वांटम बिट्स बनाने का एक महत्वाकांक्षी दृष्टिकोण है जो पर्यावरणीय शोर के लिए मौलिक रूप से प्रतिरोधी हैं (त्रुटियों का खतरा कम)। इसे सिद्धांत रूप में सबसे मजबूत माना जाता है, लेकिन भौतिक प्राप्ति के लिए सबसे अधिक बाधाओं वाला माना जाता है।

अंतिम लक्ष्य का मार्ग: “फॉल्ट-टॉलरेंट क्वांटम कंप्यूटर (FTQC)”

वर्तमान शास्त्रीय कंप्यूटर दुनिया में भी गणना त्रुटियां (जैसे कॉस्मिक किरणों के कारण बिट फ़्लिप) मौजूद हैं, लेकिन उन्हें “त्रुटि सुधार कोड” द्वारा पूरी तरह से ठीक किया जाता है, इसलिए हम बिना किसी त्रुटि के अपने स्मार्टफोन का उपयोग कर सकते हैं। क्वांटम कंप्यूटरों में व्यावहारिक बड़े पैमाने पर गणना करने के लिए, इसी तरह का “क्वांटम त्रुटि सुधार (Quantum Error Correction: QEC)” आवश्यक है।

हालाँकि, चूंकि क्वांटम स्थितियों में “अवलोकन किए जाने पर टूटने” की संपत्ति होती है, इसलिए एक घातक दुविधा है कि आप त्रुटियों की जांच करने के लिए सीधे अंदर नहीं देख सकते (निरीक्षण नहीं कर सकते)। इससे बचने के लिए, त्रुटियों का पता लगाने और उन्हें ठीक करने के लिए एक स्थिर “तार्किक क्वांटम बिट” बनाने के लिए कई अस्थिर “भौतिक क्वांटम बिट्स” को चतुराई से संयोजित करने का एक सिद्धांत स्थापित किया गया है (जैसे सतह कोड)। हालाँकि, कहा जाता है कि एक तार्किक क्वांटम बिट बनाने के लिए 1,000 से 10,000 भौतिक क्वांटम बिट्स की आवश्यकता होती है। शोर के एल्गोरिथ्म आदि को निष्पादित करने के लिए हजारों तार्किक क्वांटम बिट्स का उपयोग करने के लिए, कुल लाखों से करोड़ों भौतिक क्वांटम बिट्स के साथ एक विशाल प्रणाली की आवश्यकता होगी।

हम वर्तमान में जिसे NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum: शोर मध्यवर्ती-पैमाने क्वांटम) उपकरणों का युग कहा जाता है, उसमें हैं। ये संक्रमणकालीन मशीनें हैं जो बिना त्रुटि सुधार के दसियों से सैकड़ों क्वांटम बिट्स के साथ काम करती हैं। विशेषज्ञों का अनुमान है कि “फॉल्ट-टॉलरेंट क्वांटम कंप्यूटर (Fault-Tolerant Quantum Computer: FTQC)” के अंतिम लक्ष्य को साकार करने में अभी भी 10 से कई दशक लंबी अवधि के अनुसंधान और विकास की आवश्यकता है, जो पूरी तरह से त्रुटि-सुधारने में सक्षम है।

अध्याय 6: क्वांटम कंप्यूटरों का इतिहास और भविष्य की संभावनाएं

अंत में, आइए एक नजर डालते हैं कि क्वांटम कंप्यूटर कैसे पैदा हुए और वे भविष्य में कहां जा रहे हैं।

सिद्धांत के जन्म से लेकर “क्वांटम सर्वोच्चता” के प्रदर्शन तक

• 1980 का दशक : भौतिक विज्ञानी पॉल बेनियोफ और रिचर्ड फेनमैन ने क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का उपयोग करते हुए एक कंप्यूटर की अवधारणा का प्रस्ताव रखा। “यदि आप प्रकृति का अनुकरण करना चाहते हैं, तो क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करें” शब्द शुरुआती बिंदु थे।
• 1994 : पीटर शोर ने अभाज्य गुणनखंडन (शोर का एल्गोरिथ्म) के लिए एक क्वांटम एल्गोरिथ्म प्रकाशित किया। इसने दुनिया को चौंका दिया और बड़ी मात्रा में शोध निधि प्रवाहित होने लगी।
• 1996 : लव ग्रोवर ने ग्रोवर का एल्गोरिथ्म प्रकाशित किया, जो डेटा खोजों को गति देता है।
• **2019 ** : एक ऐतिहासिक मील का पत्थर। Google ने घोषणा की कि उसने अपने 53-क्विबिट सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर “Sycamore” का उपयोग करके लगभग 200 सेकंड में एक यादृच्छिक संख्या जनरेशन सत्यापन गणना पूरी की है जिसे एक शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर पर 10,000 वर्ष लगने की उम्मीद थी। इसने दुनिया की पहली “क्वांटम सर्वोच्चता (Quantum Supremacy)” के प्रदर्शन के रूप में बहुत ध्यान आकर्षित किया (बाद में, IBM और अन्य ने शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर पक्ष पर एल्गोरिथ्म में सुधार किया और तर्क दिया कि इसकी गणना कुछ ही दिनों में की जा सकती है, जिससे एक गर्म बहस छिड़ गई)।
• 2023 और उसके बाद : IBM ने 1,000 से अधिक क्वांटम बिट्स के साथ “Condor” प्रोसेसर की घोषणा की। इसके अलावा, हार्वर्ड विश्वविद्यालय और अन्य ने “तार्किक क्वांटम बिट्स” बनाने और हेरफेर करने में सफलता प्राप्त की है, और त्रुटि सुधार तकनीक के प्रारंभिक प्रदर्शनों की एक के बाद एक रिपोर्ट की जा रही है।

अगली पीढ़ी की प्रौद्योगिकी की ओर

एक क्वांटम कंप्यूटर केवल “तेज घड़ी गति वाला अगली पीढ़ी का CPU” नहीं है। यह गणना की अवधारणा को मौलिक रूप से फिर से लिखता है, क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का उपयोग करके जो सूक्ष्म दुनिया को नियंत्रित करता है, सूचना विज्ञान में एक वास्तविक प्रतिमान बदलाव है।

शायद हमारे जीवनकाल में हमारे पास “व्यक्तिगत क्वांटम स्मार्टफोन” नहीं होंगे जो हमारी जेब में फिट हो सकें (इसकी कोई आवश्यकता भी नहीं है)। हालाँकि, वह भविष्य निश्चित रूप से करीब आ रहा है जहाँ AWS या Azure जैसे क्लाउड नेटवर्क के पीछे एक शक्तिशाली क्वांटम डेटा सेंटर अचानक एक लाइलाज बीमारी का इलाज खोज लेता है, या एक स्वप्निल स्वच्छ ऊर्जा सामग्री का पता लगाता है जो ग्लोबल वार्मिंग को हल करती है (उदाहरण के लिए, एक उत्प्रेरक जो कमरे के तापमान पर वायुमंडलीय नाइट्रोजन से अमोनिया को संश्लेषित करता है)।

अब हम एक प्रारंभिक चरण में हैं जो 1940 के दशक में विशाल वैक्यूम ट्यूबों की गर्मी से उबलते हुए कमरों में पंच कार्डों पर चलने वाले ENIAC के बराबर है। हालाँकि, दुनिया भर के शीर्ष स्तर के शोधकर्ता और इंजीनियर अपनी बुद्धि लगा रहे हैं, और हर दिन तकनीकी सफलताओं की सूचना दी जा रही है। इस नए “गणना की सुबह” के विकास के गवाह बन सकने वाले हम कह सकते हैं कि हम इतिहास के एक बहुत ही रोमांचक दौर में जी रहे हैं।

क्वांटम दुनिया के दरवाजे अभी खुले हैं। हम भविष्य के रुझानों पर नज़र रखना जारी रखेंगे।

इस लेख का उद्देश्य व्यावसायिक पेशेवरों और प्रौद्योगिकी में रुचि रखने वाले आम लोगों के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग की बुनियादी अवधारणाओं को आसानी से समझने वाले तरीके से समझाना है। कृपया ध्यान दें कि कुछ सख्त गणितीय और भौतिक परिभाषाओं (जैसे ब्रा-केट नोटेशन और जटिल संभाव्यता आयामों का विवरण) को कुछ हद तक सरल बनाया गया है।