1. आधुनिक कंप्यूटर जो अपनी सीमा तक पहुँच रहे हैं
हम जो पर्सनल कंप्यूटर इस्तेमाल करते हैं उनसे लेकर दुनिया के सबसे तेज़ सुपर कंप्यूटर “Fugaku” तक, सभी क्लासिकल कंप्यूटर सूचनाओं को प्रोसेस करने के लिए “बिट्स (Bit)” नामक इकाई का उपयोग करते हैं। एक बिट की केवल एक ही स्थिति हो सकती है: या तो स्विच “ऑन (1)” होता है या “ऑफ़ (0)"। यहाँ तक कि जटिल गणनाएँ और बड़ी छवियां (images) भी एक के बाद एक “0 और 1 की एक विशाल श्रृंखला” के रूप में प्रोसेस की जाती हैं।
हालाँकि, आज, चूँकि सेमीकंडक्टर्स (semiconductors) का लघुकरण परमाणुओं के आकार के करीब आ रहा है, “मूर का नियम” (सेमीकंडक्टर प्रदर्शन में सुधार) भौतिक सीमाओं (जैसे क्वांटम टनलिंग प्रभाव के कारण करंट का रिसाव) का सामना कर रहा है। इन सीमाओं को पार करने के लिए भौतिकी के पूरी तरह से अलग नियमों का उपयोग करके गणना करने के दृष्टिकोण को ही “क्वांटम कंप्यूटर (Quantum Computer)” कहा जाता है।
2. क्वांटम यांत्रिकी का जादू: “सुपरपोज़िशन (Superposition)”
क्वांटम कंप्यूटर की सबसे छोटी इकाई को “बिट” नहीं बल्कि “क्वांटम बिट (Qubit: क्युबिट)” कहा जाता है। क्वांटम बिट्स की सबसे बड़ी विशेषता यह है कि वे क्वांटम यांत्रिकी के गुण “सुपरपोज़िशन (Superposition)” का उपयोग करते हैं।
जहाँ क्लासिकल बिट्स निश्चित रूप से “0” या “1” में से किसी एक स्थिति में होते हैं, वहीं क्वांटम बिट्स एक ही समय में “0 और 1 दोनों” (एक संभाव्य सुपरपोज़िशन) होने की एक अस्पष्ट स्थिति को बनाए रख सकते हैं।
- एक 2-बिट क्लासिकल कंप्यूटर एक बार में “00, 01, 10, 11” में से केवल एक ही संयोजन (combination) को दर्शा सकता है।
- लेकिन अगर आप 2 क्वांटम बिट्स का उपयोग करते हैं, तो वे एक ही समय में इन सभी 4 स्थितियों को एक साथ दर्शा सकते हैं।
अगर यह बढ़कर 300 क्वांटम बिट्स हो जाता है, तो यह ब्रह्मांड में मौजूद परमाणुओं की संख्या (2 की घात 300) से अधिक स्थितियों की एक साथ पलक झपकते ही गणना कर सकता है। क्वांटम कंप्यूटरों की अत्यधिक कम्प्यूटेशनल शक्ति (क्वांटम समानांतरता या Quantum Parallelism) का स्रोत यही है।
3. “क्वांटम एंटैंगलमेंट (Quantum Entanglement)” जिसने आइंस्टीन को भी हैरान कर दिया था
एक और महत्वपूर्ण क्वांटम घटना “क्वांटम एंटैंगलमेंट (Entanglement)” है। यह एक रहस्यमयी घटना है जहाँ दो क्वांटम बिट्स एक मजबूत बंधन (bond) से जुड़े होते हैं, और चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों, “यदि एक की स्थिति देखी जाती है और निर्धारित हो जाती है, तो दूसरे की स्थिति भी तुरंत निर्धारित हो जाती है।”
क्वांटम कंप्यूटर के अंदर, इस “क्वांटम एंटैंगलमेंट” का उपयोग करके कई क्वांटम बिट्स को एक साथ जोड़कर जटिल कम्प्यूटेशनल एल्गोरिदम (हस्तक्षेप या interference) चलाए जाते हैं। गणना के अंत में, “अवलोकन (observation)” करने से अवांछित उत्तर (संभाव्यता तरंगें) एक-दूसरे को रद्द (cancel) कर देते हैं, और केवल सही उत्तर की संभावना को बढ़ाकर आउटपुट के रूप में प्रस्तुत किया जाता है।
4. क्वांटम कंप्यूटर किस काम में माहिर हैं?
क्वांटम कंप्यूटर कोई सर्व-शक्तिमान जादुई बक्सा नहीं हैं। रोज़मर्रा के काम जैसे इंटरनेट सर्फ़िंग या वीडियो एडिटिंग के लिए आज के कंप्यूटर कहीं अधिक बेहतर हैं। क्वांटम कंप्यूटर जिस चीज़ में उत्कृष्ट हैं, वह है “विशाल संयोजनों (combinations) में से इष्टतम (optimal) उत्तर खोजने वाली समस्याएँ।”
वे क्षेत्र जहाँ इनसे उम्मीदें हैं
- दवा की खोज और नई सामग्री का विकास: चूँकि अणु (molecules) और रासायनिक प्रतिक्रियाएँ स्वयं क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार व्यवहार करती हैं, इसलिए दवाओं का सिमुलेशन (simulation) अत्यधिक सटीक और तेज़ गति से किया जा सकता है।
- ऑप्टिमाइज़ेशन (Optimization) की समस्याएँ: ऐसी समस्याओं को तुरंत हल करने की उम्मीद है, जिनमें इतने सारे चर (variables) होते हैं कि सुपर कंप्यूटर भी उनकी गणना नहीं कर सकते, जैसे “हज़ारों ट्रकों के डिलीवरी करने का सबसे कुशल मार्ग” या “वित्तीय उत्पादों का इष्टतम पोर्टफोलियो।”
आधुनिक क्रिप्टोग्राफी (Cryptography) का पतन (शोर का एल्गोरिदम)
वर्तमान में, “RSA एन्क्रिप्शन” जो इंटरनेट संचार (जैसे HTTPS) की सुरक्षा करता है, वह इस धारणा पर अपनी सुरक्षा की गारंटी देता है कि “बड़ी संख्याओं का अभाज्य गुणनखंडन (prime factorization) करने में सुपर कंप्यूटरों को भी हज़ारों वर्ष लगेंगे।” हालाँकि, यह गणितीय रूप से सिद्ध हो चुका है कि क्वांटम कंप्यूटरों के लिए बनाए गए “शोर के एल्गोरिदम (Shor’s algorithm)” का उपयोग करके, इसे कुछ घंटों या कुछ सेकंड में डिक्रिप्ट किया जा सकता है। इसी वजह से आज दुनिया भर में “पोस्ट-क्वांटम क्रिप्टोग्राफी (PQC)” की ओर तेज़ी से कदम बढ़ाए जा रहे हैं।
5. क्वांटम सर्वोच्चता (Quantum Supremacy) और वर्तमान चुनौतियाँ
2019 में, Google ने घोषणा की कि उनके क्वांटम कंप्यूटर “Sycamore” ने 10,000 साल लगने वाली गणना को दुनिया के सबसे तेज़ सुपर कंप्यूटर की तुलना में मात्र 200 सेकंड में हल कर दिया है, और इसके साथ ही उन्होंने “क्वांटम सर्वोच्चता (Quantum Supremacy)” साबित करने का दावा किया।
हालाँकि, व्यावहारिक उपयोग के लिए अभी भी एक बड़ी बाधा मौजूद है। और वह है “शोर (Noise) या त्रुटियाँ (Errors)”। क्वांटम बिट्स की “सुपरपोज़िशन” स्थिति बहुत ही नाज़ुक होती है, और यह थोड़ी सी भी गर्मी (heat) या चुंबकीय क्षेत्र (magnetic fields) के प्रभाव से आसानी से नष्ट हो जाती है। इसलिए, इन्हें पूर्ण शून्य (परम शून्य या -273 डिग्री सेल्सियस) के करीब, अत्यधिक ठंडे तापमान तक ठंडा करने के लिए एक बहुत बड़े उपकरण की आवश्यकता होती है। वर्तमान में, त्रुटि-प्रवण (error-prone) मध्यम आकार के क्वांटम कंप्यूटर (NISQ) मुख्यधारा में हैं, और ऐसा कहा जाता है कि एक सच्चे “फॉल्ट-टॉलरेंट क्वांटम कंप्यूटर (Fault-tolerant quantum computer)” को पूरा करने में कम से कम 10 साल और लगेंगे जो अपनी गलतियों को स्वयं सुधार (self-correct) सके।
6. निष्कर्ष
क्वांटम कंप्यूटर एक इंजीनियरिंग के रूप में क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांत को व्यावहारिक बनाने का मानव जाति का एक भव्य प्रयास है, जिसे आइंस्टीन और श्रोडिंगर जैसे भौतिकी के दिग्गजों ने बनाया था। जिस तरह पर्सनल कंप्यूटरों ने इंटरनेट को जन्म दिया, और स्मार्टफोन ने सोशल मीडिया को जन्म दिया, इसमें कोई शकচেতনता नहीं है कि जब क्वांटम कंप्यूटर व्यावहारिक हो जाएँगे, तो पूरी तरह से नई भविष्य की तकनीकें पैदा होंगी जिनकी हम कल्पना भी नहीं कर सकते।