क्वांटम चिप छह ध्वनि मोडों में उलझाव पैदा करती है और इसे रेज़ोनेटरों के बीच स्थानांतरित करती है

दो ध्वनिक रेज़ोनेटर साझा क्वांटम प्रगति करते हैं

शेनझेन इंटरनेशनल क्वांटम अकादमी के डियान तान के नेतृत्व में एक शोध दल ने स्टटगार्ट विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों के साथ मिलकर एक हाइब्रिड चिप पर दो, चार और छह ध्वनिक मोडों को शामिल करते हुए क्वांटम उलझाव पैदा किया है। दल ने दो अलग-अलग यांत्रिक रेज़ोनेटरों के बीच दो और चार मोडों वाले उलझे हुए अवस्थाओं को भी स्थानांतरित किया, जिससे कंपन के रूप में वहन होने वाली क्वांटम जानकारी को तैयार करने और स्थानांतरित करने, दोनों का प्रदर्शन हुआ।

उलझी हुई अवस्था तैयार करने में सबसे मजबूत नतीजा दो मोडों के लिए 0.912 ± 0.003 की फिडेलिटी था। फिडेलिटी मापती है कि प्रयोग में बनी क्वांटम अवस्था लक्षित अवस्था से कितनी मेल खाती है; 1 का अर्थ है पूर्ण मेल। चार मोडों के लिए संबंधित मान 0.790 ± 0.003 और छह मोडों के लिए 0.570 ± 0.001 थे।

साइंस में प्रकाशित अध्ययन का शीर्षक Deterministic generation and distribution of genuine multipartite entanglement in macroscopic acoustic resonators है और इसकी प्रकाशन तिथि 15 अक्टूबर, 2026 है। शेनझेन संस्थान ने 16 अक्टूबर को इस कार्य की घोषणा की।

यह प्रयोग उन तीन कार्यों को एक साथ लाता है जिनकी एक बड़े ध्वनिक क्वांटम सिस्टम को जरूरत होगी: साझा क्वांटम अवस्थाएं बनाना, उन्हें हार्डवेयर इकाइयों के बीच स्थानांतरित करना और उनका मापन करना। इसकी सबसे जटिल अवस्था में छह ध्वनिक मोड शामिल थे, जबकि स्थानांतरण प्रयोगों में दो और चार मोड शामिल थे।

कंपन क्वांटम जानकारी कैसे वहन करते हैं

चिप में फोनॉन का उपयोग होता है, जो यांत्रिक कंपन की क्वांटम इकाइयां हैं। कंपन में फोनॉन की भूमिका वैसी ही है जैसी प्रकाश में फोटॉन की: यह क्वांटम सिस्टम में ऊर्जा की एक विविक्त मात्रा को दर्शाता है।

यांत्रिक उपकरण उच्च ओवरटोन बल्क अकॉस्टिक रेज़ोनेटर, यानी HBAR, हैं। हर रेज़ोनेटर कई ध्वनिक मोडों को सहारा देता है, यानी अलग-अलग आवृत्तियों पर कंपन के विशिष्ट पैटर्न। एक वाद्ययंत्र कई सुर निकाल सकता है; इसी तरह एक रेज़ोनेटर कंपन के कई पैटर्न को सहारा देता है, हालांकि उनकी क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने के लिए कहीं अधिक सटीक उपकरणों की जरूरत होती है।

HBAR शोधकर्ताओं के लिए आकर्षक हैं, क्योंकि इनमें कई मोड, अपेक्षाकृत लंबे भंडारण जीवनकाल और चिप में एकीकरण की अनुकूलता एक साथ मिलती है। एक उपकरण के भीतर कई मोड क्वांटम जानकारी दर्ज करने के लिए कई जगहें दे सकते हैं, जिससे हर मोड के लिए अलग यांत्रिक घटक की जरूरत घटती है।

उलझाव को वास्तविक क्या बनाता है?

तान और उनके सहकर्मियों ने वास्तविक बहुपक्षीय उलझाव पैदा किया। सरल शब्दों में, क्वांटम संबंध भाग लेने वाले सभी मोडों के पूरे समूह के बीच होते हैं। इस अवस्था को ऐसे स्वतंत्र छोटे समूहों में नहीं बांटा जा सकता जिनमें इसका सारा उलझाव समा जाए।

उदाहरण के लिए, छह मोडों को तीन स्वतंत्र उलझे हुए जोड़ों में व्यवस्थित करने की संरचना, सभी छह मोडों में साझा वास्तविक उलझाव से अलग होगी। बाद वाली अवस्था शोधकर्ताओं को एक सामूहिक क्वांटम संसाधन देती है, जो प्रोसेसर या नेटवर्क के कई हिस्सों में फैले कार्यों में मदद कर सकता है।

तान ने इस साझा संबंध को कई नोड वाले क्वांटम नेटवर्क और वितरित क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए एक संसाधन बताया। नोड एक स्वतंत्र इकाई है जो क्वांटम जानकारी को संग्रहित या संसाधित कर सकती है। वितरित प्रसंस्करण में किसी कार्य को आपस में जुड़ी इकाइयों के बीच बांटा जाता है।

लेख के लेखक अपने सारांश में प्रयोग की उपलब्धि का वर्णन करते हैं:

हम दो बहुमोडीय ध्वनिक रेज़ोनेटरों में वास्तविक बहुमोडीय उलझाव पैदा करने और उसे स्थानांतरित करने की जानकारी देते हैं।

इसलिए यह हार्डवेयर एक सामूहिक अवस्था बनाने और उसे अलग-अलग यांत्रिक उपकरणों के बीच स्थानांतरित करने, दोनों जरूरतों को पूरा करता है। ध्वनिक क्वांटम घटकों को बड़े सिस्टम से जोड़ने के लिए ये अलग-अलग आवश्यकताएं हैं।

एक सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट कई मोडों को नियंत्रित करता है

शोधकर्ताओं ने ध्वनिक रेज़ोनेटरों को ट्यून किए जा सकने वाले सुपरकंडक्टिंग क्यूबिटों से जोड़ा। क्यूबिट क्वांटम जानकारी की एक नियंत्रित की जा सकने वाली इकाई है। इस प्रयोग में क्यूबिट यांत्रिक क्वांटम अवस्थाओं को तैयार करने, उनमें बदलाव करने और उनका मापन करने का तरीका देते हैं।

दल ने ध्वनिक मोडों की आवृत्तियों के वितरण और क्यूबिट तथा फोनॉन के बीच परस्पर क्रिया को सावधानी से डिज़ाइन किया। इससे एक सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट कई यांत्रिक मोडों के साथ मजबूती से संपर्क कर सका और शोधकर्ताओं को एक साझा नियंत्रण तत्व के जरिए कंपन के कई पैटर्न तक पहुंच मिली।

मजबूत युग्मन का अर्थ है कि परस्पर क्रिया इतनी पर्याप्त है कि हानियां और अवांछित व्यवधान प्रक्रिया पर हावी होने से पहले क्वांटम जानकारी का नियंत्रित आदान-प्रदान हो सके। कई मोडों का चयन और नियंत्रण, रेज़ोनेटर के अनेक कंपन पैटर्न को उपयोगी क्वांटम संसाधनों में बदलने के लिए अहम है।

इससे बनी संरचना अलग-अलग प्रकार के क्वांटम हार्डवेयर को जोड़ती है: यांत्रिक रेज़ोनेटर ध्वनिक अवस्थाएं रखते हैं, सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट उन्हें नियंत्रित करते हैं और एक ट्यून किया जा सकने वाला क्वांटम कपलर सर्किट के हिस्सों को जोड़ता है। इन तत्वों को एक चिप पर एकीकृत करना दल के प्रस्तावित मॉड्यूलर डिज़ाइन का आधार है।

तैयारी के आंकड़े क्या बताते हैं

साइंस का लेख लक्षित उलझी हुई अवस्थाओं को तैयार करने के लिए निम्न फिडेलिटी बताता है:

• दो मोड: 0.912 ± 0.003, यानी 91.2% फिडेलिटी।
• चार मोड: 0.790 ± 0.003, यानी 79.0% फिडेलिटी।
• छह मोड: 0.570 ± 0.001, यानी 57.0% फिडेलिटी।

इन आंकड़ों में जटिलता बढ़ने की कीमत स्पष्ट दिखती है। दो से छह भाग लेने वाले मोडों पर जाने से मापी गई फिडेलिटी 34.2 प्रतिशत अंक घट गई। अधिक मोड साझा क्वांटम अवस्था का आकार बढ़ाते हैं, लेकिन साथ ही तैयारी और नियंत्रण की मांग भी बढ़ाते हैं।

फिडेलिटी मापी गई अवस्था और लक्षित अवस्था के बीच समानता बताती है। हर मान के बाद दी गई अनिश्चितता उस माप की रिपोर्ट की गई अनिश्चितता है। शोधकर्ताओं के अनुसार तैयार की गई तीनों अवस्थाएं वास्तविक रूप से उलझी हुई हैं।

लेखक अपने तरीके को नियतात्मक भी बताते हैं। इसका अर्थ है कि तैयारी को कभी-कभार सफल होने वाली आकस्मिक घटनाओं को चुनने के बजाय, एक नियंत्रित क्रम के जरिए कराने के लिए डिज़ाइन किया गया है। नियतात्मक संचालन और फिडेलिटी प्रदर्शन के अलग-अलग पहलू बताते हैं: नियंत्रित तैयारी क्रम से भी अपूर्ण अवस्था बन सकती है।

यांत्रिक नोडों के बीच उलझाव का स्थानांतरण

स्थानांतरण प्रयोग में दो अलग-अलग HBAR रेज़ोनेटरों का इस्तेमाल किया गया, जिन्हें उसी हाइब्रिड चिप संरचना में सुपरकंडक्टिंग क्यूबिटों और ट्यून किए जा सकने वाले कपलर के साथ एकीकृत किया गया था। दल ने रेज़ोनेटरों के बीच क्वांटम जानकारी का आदान-प्रदान किया और उलझी हुई अवस्थाओं को एक यांत्रिक नोड से दूसरे तक स्थानांतरित किया।

दो मोडों वाली अवस्थाओं के लिए रिपोर्ट की गई स्थानांतरण फिडेलिटी 0.785 ± 0.006 थी। चार मोडों वाली अवस्थाओं के लिए यह 0.601 ± 0.006 थी। प्रतिशत में ये मान 78.5% और 60.1% हैं।

स्थानांतरण के नतीजे प्रयोग को ध्वनिक हार्डवेयर के भीतर उलझाव तैयार करने से आगे ले जाते हैं। वे साझा क्वांटम अवस्था को दूसरे रेज़ोनेटर तक पहुंचाने का तरीका दिखाते हैं, जो तब आवश्यक है जब अलग-अलग नोडों को किसी गणना के अलग-अलग हिस्से संग्रहित या संसाधित करने हों।

रिपोर्ट किए गए स्थानांतरण प्रदर्शनों में दो और चार मोड शामिल हैं; इसे छह मोड तक बढ़ाना आगे का काम है। प्रदर्शित कनेक्शन एक ही चिप पर लगे रेज़ोनेटरों के बीच है, जबकि प्रस्तावित बड़े नेटवर्क को और जुड़े हुए हार्डवेयर घटक जोड़कर बनाया जाएगा।

दो क्यूबिट बड़ी ध्वनिक अवस्था का मापन करते हैं

शोधकर्ताओं ने क्वांटम अवस्था टोमोग्राफी के लिए एक ऐसी विधि भी विकसित की जो कई ध्वनिक मोडों में सुपरकंडक्टिंग क्यूबिटों का दोबारा उपयोग करती है। टोमोग्राफी प्रयोग की बार-बार की गई तैयारियों पर अनेक माप लेकर क्वांटम अवस्था का पुनर्निर्माण करती है।

यह कदम अहम है, क्योंकि नियंत्रण क्रम तैयार करना प्रयोग का केवल एक हिस्सा है। शोधकर्ताओं को ऐसे माप चाहिए जो उस वास्तविक अवस्था को उजागर करें जिसे उन्होंने बनाया है, जिसमें उसके अलग-अलग मोडों के बीच के सहसंबंध भी शामिल हैं।

दल ने बहुमोडीय उलझी हुई फोनॉन अवस्थाओं की टोमोग्राफी के लिए केवल दो सुपरकंडक्टिंग क्यूबिटों का उपयोग किया। अलग-अलग मोडों में उन्हीं मापन संसाधनों का दोबारा उपयोग करके उन्होंने हर ध्वनिक मोड के लिए अलग मापन क्यूबिट लगाने से बचा।

तान ने इस नतीजे को उस समय तक क्वांटम ध्वनिकी मंच पर रिपोर्ट की गई बहुमोडीय फोनॉन अवस्थाओं का सबसे बड़ा प्रायोगिक वर्णन बताया। यह दावा अवस्था के पुनर्निर्माण के पैमाने से जुड़ा है। इसका व्यावहारिक योगदान एक ऐसी मापन विधि है जो ध्वनिक सिस्टम के बढ़ने पर सीमित संख्या में क्यूबिटों का अधिक पूरा उपयोग करती है।

चिप का लेआउट क्यों अहम है

दल की द्वि-आयामी चिप संरचना इन प्रयोगों को बढ़ाने में आने वाली एक भौतिक सीमा का समाधान करती है। तीन-आयामी माइक्रोवेव कैविटी पर निर्भर पारंपरिक डिज़ाइनों में अधिक घटकों को जोड़ने की कोशिश के दौरान जगह और इंजीनियरिंग संबंधी मांगें सामने आती हैं।

तान ने कहा कि चिप आधारित तरीका मॉड्यूलरता, एकीकरण और विस्तार की गुंजाइश देता है। प्रस्तावित व्यवस्था में अलग-अलग सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट अलग यांत्रिक रेज़ोनेटरों से जुड़ेंगे और फिर नियंत्रित किए जा सकने वाले कपलरों के जरिए क्यूबिट आपस में जुड़ेंगे।

हर अतिरिक्त रेज़ोनेटर कई ध्वनिक मोड जोड़ सकता है। इसलिए यह डिज़ाइन विस्तार की दो दिशाएं देता है: अधिक रेज़ोनेटर नोडों को जोड़ना और हर रेज़ोनेटर में मौजूद अधिक मोडों का उपयोग करना।

तैयारी और स्थानांतरण के आंकड़े यह भी दिखाते हैं कि अभी और काम की जरूरत है। भाग लेने वाले मोडों की संख्या बढ़ने के साथ फिडेलिटी घटी और स्थानांतरण की प्रदर्शित फिडेलिटी, तैयारी के संबंधित मानों से कम थी। बड़े प्रोसेसर को मोडों और कनेक्शनों, दोनों की संख्या बढ़ाते हुए उपयोगी अवस्थाओं को बनाए रखना होगा।

इस प्रयोग से बड़े नेटवर्क तक

तात्कालिक उपलब्धि एक प्रयोगशाला मंच है जो बहुमोडीय उलझाव, यांत्रिक नोडों के बीच स्थानांतरण और अवस्था पुनर्निर्माण को जोड़ता है। प्रदर्शित और प्रस्तावित चरणों का क्रम इस प्रकार है:

• 15 अक्टूबर, 2026: साइंस में प्रकाशित लेख दो, चार और छह मोडों वाली वास्तविक उलझी अवस्थाओं की तैयारी और दो तथा चार मोडों वाली अवस्थाओं के स्थानांतरण का विवरण देता है।
• 16 अक्टूबर, 2026: शेनझेन संस्थान सहयोगी दल के नतीजों की घोषणा करता है और नियंत्रण तथा मापन के उनके तरीके का वर्णन करता है।
• अगला प्रस्तावित चरण: उपलब्ध उलझाव संसाधनों का विस्तार करने के लिए नियंत्रित किए जा सकने वाले कपलरों से जुड़े और HBAR रेज़ोनेटर तथा सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट जोड़ना।

दल ने बड़े नेटवर्क के लिए कोई तारीख नहीं बताई है। उसका प्रस्ताव सीधे प्रदर्शित हार्डवेयर पर आधारित है: रेज़ोनेटरों को मॉड्यूल, उनके ध्वनिक मोडों को क्वांटम संसाधन और सुपरकंडक्टिंग सर्किट को उन्हें नियंत्रित तथा आपस में जोड़ने का साधन बनाना।

क्वांटम कंप्यूटिंग अनुसंधान के लिए यह ठोस योगदान है। प्रयोग दिखाता है कि कंपन के कई मोड एक वास्तविक क्वांटम अवस्था कैसे साझा कर सकते हैं, उलझी हुई अवस्था रेज़ोनेटरों के बीच कैसे स्थानांतरित हो सकती है और दो क्यूबिट बड़ी ध्वनिक अवस्था के पुनर्निर्माण में कैसे मदद कर सकते हैं। इस तरीके का विस्तार करने के लिए बेहतर फिडेलिटी और अधिक जुड़े हुए नोड अगली जरूरतें हैं।

मुख्य बातें

• डियान तान के दल और अंतरराष्ट्रीय सहयोगियों ने दो, चार और छह ध्वनिक मोडों वाली वास्तविक उलझी अवस्थाएं तैयार कीं।
• तैयारी की फिडेलिटी क्रमशः 91.2%, 79.0% और 57.0% रही।
• दो और चार मोडों वाली उलझी अवस्थाओं को अलग-अलग रेज़ोनेटरों के बीच स्थानांतरित किया गया; उनकी फिडेलिटी 78.5% और 60.1% रही।
• टोमोग्राफी के जरिए बहुमोडीय फोनॉन अवस्थाओं का पुनर्निर्माण करने के लिए दो सुपरकंडक्टिंग क्यूबिटों का दोबारा उपयोग किया गया।
• दल ने अधिक रेज़ोनेटर, क्यूबिट और नियंत्रित कनेक्शन जोड़कर चिप संरचना का विस्तार करने का प्रस्ताव दिया है।