आपने खबरों, यूट्यूब वीडियो या तकनीकी पत्रिकाओं में क्वांटम कंप्यूटर शब्द कई बार सुना होगा। लेकिन अगर आपसे पूछा जाए कि यह वास्तव में क्या है, तो ज्यादातर लोग भ्रमित हो जाते हैं। कुछ इसे अति तेज़ लैपटॉप समझते हैं, तो कुछ इसे भविष्य का कंप्यूटर कहते हैं, लेकिन सच्चाई इससे कहीं अधिक रोचक और जटिल है।
आज इस लेख में हम क्वांटम कंप्यूटर क्या है, यह कैसे काम करता है, इसमें कौन कौन से भाग होते हैं और यह सामान्य कंप्यूटर से किस प्रकार भिन्न है, इन सभी बातों को विस्तार से समझाएंगे। हम इसे सरल शब्दों में, बिना अधिक तकनीकी शब्दावली का प्रयोग किए, समझाएंगे ताकि सभी इसे समझ सकें।
क्वांटम कंप्यूटर का मूल अर्थ क्या है?
सबसे पहले, आइए समझते हैं कि क्वांटम कंप्यूटर क्या है। यह एक ऐसी मशीन है जो क्वांटम भौतिकी के नियमों का उपयोग करके गणना करती है वही भौतिकी जो परमाणुओं और कणों के स्तर पर काम करती है। सामान्य कंप्यूटर, जैसे कि हम हर दिन उपयोग करते हैं, शास्त्रीय भौतिकी के नियमों का पालन करते हैं। लेकिन क्वांटम कंप्यूटर पूरी तरह से एक अलग दुनिया में काम करते हैं।
इसका यह मतलब नहीं है कि क्वांटम कंप्यूटर सामान्य कंप्यूटरों की जगह ले लेंगे। ऐसा बिल्कुल नहीं है। वे एक एक्सीलरेटर की तरह काम करेंगे यानी वे कुछ खास तरह की बेहद जटिल समस्याओं को हल करेंगे। ऐसी समस्याएं जिन्हें सामान्य सुपरकंप्यूटर भी हल नहीं कर सकते (या हल करने में सालों लग जाते हैं), क्वांटम कंप्यूटर उन्हें बहुत कम समय में हल कर सकते हैं।
यही कारण है कि ऑटोमोटिव, फार्मास्युटिकल, केमिकल कंपनियों और वित्तीय सेवा कंपनियों जैसे उद्योग भी अब क्वांटम कंप्यूटिंग का उपयोग करने के लिए खोजबीन कर रहे हैं ताकि इसे अपनी पारंपरिक सुपरकंप्यूटिंग के साथ जोड़ा जा सके।
क्यूबिट क्वांटम कंप्यूटर का हृदय
अब बात करते हैं सबसे महत्वपूर्ण चीज की क्यूबिट की। यह क्वांटम कंप्यूटर का केंद्रबिंदु है, ठीक वैसे ही जैसे एक सामान्य कंप्यूटर में बिट होता है। एक सामान्य कंप्यूटर में, हर चीज़ को या तो 0 या 1 के रूप में दर्शाया जाता है ये केवल दो अवस्थाएँ हैं। लेकिन क्यूबिट इस मामले में उत्कृष्ट है। एक क्यूबिट एक ही समय में 0 और 1 दोनों अवस्थाओं में मौजूद हो सकता है। इसे सुपरपोज़िशन कहा जाता है।
अब यहीं पर गणित थोड़ा दिलचस्प हो जाता है। यदि आपके पास सुपरपोज़िशन में N क्यूबिट्स हैं, तो वे एक साथ 2 की घात N (2^N) विभिन्न बाइनरी संयोजनों के बारे में जानकारी रख सकते हैं। इसका मतलब है कि जैसे जैसे क्यूबिट्स की संख्या बढ़ती है, जानकारी घातीय रूप से बढ़ती जाती है। यही कारण है कि क्वांटम कंप्यूटर इतने शक्तिशाली माने जाते हैं समानांतर प्रसंस्करण को संभालने की उनकी क्षमता अद्वितीय है।
लेकिन इसमें एक पेंच है। जब भी आप इस क्वांटम अवस्था को पढ़ना चाहते हैं (यानी, कोई परिणाम निकालना चाहते हैं), तो आपको केवल एक ही विन्यास मिलता है और वह भी संभाव्यता के आधार पर। इसका मतलब है कि पूर्ण समानांतर प्रसंस्करण का लाभ उठाना उतना आसान नहीं है जितना लगता है।
इसी कारणवश, केवल सुपरपोज़िशन ही पर्याप्त नहीं है। क्वांटम अनुप्रयोगों को क्वांटम समानांतरता का सही मायने में लाभ उठाने के लिए दो और चीजों एंटैंगलमेंट और इंटरफेरेंस का उपयोग करने की आवश्यकता होती है।
क्वांटम कंप्यूटर कैसे काम करता है?
आइए अब देखते हैं कि यह मशीन वास्तव में कैसे काम करती है। क्वांटम कंप्यूटर एक ऐसा उपकरण है जो क्यूबिट्स को अलग करता है और उनमें हेरफेर करता है। क्यूबिट्स भौतिक वस्तुएं हैं जिनमें नियंत्रणीय क्वांटम गुण होते हैं। इसके लिए क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट (क्यूपीयू) नामक एक विशेष उपकरण का उपयोग किया जाता है।
यह क्यूपीयू विद्युत पल्स, माइक्रोवेव, आरएफ या लेजर पल्स के माध्यम से क्यूबिट्स के साथ परस्पर क्रिया करता है। यह दिलचस्प हिस्सा है कई भौतिक सामग्रियों का उपयोग क्यूबिट बनाने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि:
➤अतिचालक तार के लूप
➤उदासीन परमाणु
➤फंसे हुए आयन
➤इलेक्ट्रॉन स्पिन
➤हीरे में नाइट्रोजन रिक्तियां
➤फोटॉन (प्रकाश के कण)
प्रत्येक प्रकार के क्यूबिट के अपने अपने फायदे और नुकसान होते हैं। कुछ क्यूबिट को कार्य करने के लिए लगभग पूर्ण शून्य तापमान तक ठंडा करना पड़ता है, जिसके लिए विशेष क्रायोजेनिक रेफ्रिजरेटर का उपयोग किया जाता है। कुछ क्यूबिट को अति उच्च निर्वात की आवश्यकता होती है ताकि बाहरी शोर उन्हें प्रभावित न करे।
ये क्यूबिट इतने संवेदनशील होते हैं कि जरा सी भी पर्यावरणीय गड़बड़ी इनकी क्वांटम प्रकृति को बिगाड़ सकती है। इसलिए, क्यूबिट्स को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करने और उनसे जानकारी निकालने के लिए एक नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है।
और इस नियंत्रण प्रणाली को चलाने के लिए एक पारंपरिक सुपरकंप्यूटर की भी आवश्यकता होती है संचालन का समन्वय करने, त्रुटियों को ठीक करने और क्यूपीयू से प्राप्त आउटपुट का विश्लेषण करने के लिए। हार्डवेयर इंजीनियरों के लिए सबसे बड़ी चुनौती सिस्टम को इतनी क्षमता तक बढ़ाना है कि वह बड़ी गणनाएं कर सके, साथ ही साथ क्यूबिट्स को सुरक्षित और नियंत्रणीय भी रख सके।
क्वांटम कंप्यूटर प्रोग्रामिंग कैसे होती है?
अब आप सोच रहे होंगे कि इसे प्रोग्राम कैसे किया जाए? अच्छी खबर यह है कि क्वांटम प्रोग्राम को पायथन या CC++ जैसी परिचित भाषाओं में लिखा जा सकता है बस विशेष क्वांटम विकास फ्रेमवर्क के माध्यम से। इन फ्रेमवर्क में, प्रोग्रामर मूलभूत क्वांटम संक्रियाओं को निर्दिष्ट कर सकता है, जिन्हें गेट्स कहा जाता है।
कुछ फ्रेमवर्क इससे भी उच्च स्तरीय होते हैं, जहाँ आप सीधे कर्नेल या ओरेकल निर्दिष्ट कर सकते हैं अर्थात् गेट्स की पूरी जटिल व्यवस्था पहले से ही अंतर्निहित होती है, और प्रोग्रामर को गेट स्तर के विवरणों में जाने की आवश्यकता नहीं होती है।
इन प्रोग्रामों को अक्सर क्वांटम सर्किट की तरह दृश्य रूप से दर्शाया जाता है जिसमें गेट या कर्नेल को मिलाकर पूरा प्रोग्राम दिखाया जाता है। प्रोग्राम तैयार हो जाने के बाद, उसे संकलित करना आवश्यक होता है यानी अमूर्त गेट संक्रियाओं को उस विशिष्ट क्वांटम उपकरण के लिए निर्देशों में परिवर्तित करना होता है।
प्रत्येक क्वांटम उपकरण का अपना अनूठा निर्देश सेट होता है, इसलिए एक अच्छा विकास मंच वह होता है जो एक ही कोड को कई उपकरणों के लिए संकलित कर सके, साथ ही उपकरण विशिष्ट अनुकूलन भी कर सके। संकलन के बाद, प्रोग्राम को QPU के नियंत्रण तंत्रों के माध्यम से निष्पादित किया जाता है। भविष्य के, बड़े क्वांटम कंप्यूटरों में निष्पादन के इस चरण में त्रुटि सुधार के लिए अतिरिक्त निर्देश भी शामिल होंगे।
प्रोग्राम के अंत में, क्यूबिट्स को पढ़ा जाता है । कई एल्गोरिदम में, यह पठन संभाव्य होता है अर्थात् एल्गोरिदम को कई बार दोहराना पड़ता है। अधिकांश मामलों में, सार्थक समाधान प्राप्त करने के लिए पठन परिणाम को एक पारंपरिक कंप्यूटर द्वारा संसाधित किया जाना आवश्यक होता है।
क्वांटम त्रुटि सुधार सबसे बड़ी चुनौती
अब सबसे मुश्किल हिस्से यानी शोर की समस्या के बारे में बात करते हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग में शोर एक बहुत बड़ी समस्या है, और इससे निपटने के दो मुख्य तरीके हैं: एनआईएसक्यू डिवाइस (नॉइज़ी इंटरमीडिएट स्केल क्वांटम) ये डिवाइस शोर को ठीक करने का प्रयास नहीं करते, बल्कि सीमित पैमाने पर इसके साथ काम करते हैं। इनमें अधिक क्यूबिट या गेट का उपयोग नहीं किया जा सकता क्योंकि शोर तेजी से बढ़ता है। शोधकर्ता अभी भी इस बात की खोज कर रहे हैं कि क्या एनआईएसक्यू डिवाइस वास्तव में उपयोगी अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किए जा सकते हैं।
FTQC (फॉल्ट टॉलरेंट क्वांटम कंप्यूटर) ये ऐसे उपकरण हैं जो क्वांटम त्रुटि सुधार (QEC) को सक्रिय रूप से लागू करते हैं। इन्हें क्वांटम कंप्यूटिंग जगत का पवित्र ग्रेल कहा जाता है। इसका अर्थ यह है कि इन्हें तकनीकी रूप से बनाना बहुत कठिन है, लेकिन ये उपयोगी अनुप्रयोगों को चलाने में सिद्ध हो चुके हैं।
क्यूईसी का मूल विचार कई शोरगुल वाले भौतिक क्यूबिट्स को एक एकल, त्रुटि रहित तार्किक क्यूबिट में संयोजित करना है। इसके लिए क्यूबिट्स के बार बार मापन की आवश्यकता होती है ताकि एक क्लासिकल कंप्यूटर त्रुटि के स्थान को "डिकोड" कर सके और उसे ठीक कर सके। लेकिन क्यूईसी को लागू करना इतना आसान नहीं है। इसमें तीन प्रमुख चुनौतियाँ हैं:
➤ QEC के काम करने के लिए हार्डवेयर का शोर एक विशेष सीमा से नीचे होना चाहिए।
➤ एक लॉजिकल क्यूबिट बनाने के लिए कई फिजिकल क्यूबिट्स की आवश्यकता होती है।
➤ QEC कोड को कोड चक्र में बार बार चलाना आवश्यक है, और डेटा को सख्त समय सीमा के भीतर संसाधित किया जाना चाहिए अन्यथा लंबित कार्यों की संख्या बढ़ जाती है।
➤ इससे QPU से मजबूती से जुड़ा एक अत्याधुनिक सुपरकंप्यूटर अनिवार्य हो जाता है।
क्वांटम सुपरकंप्यूटिंग यह कैसी दिखती है?
अगर आप क्वांटम कंप्यूटर की कल्पना करें, तो शायद आपके दिमाग में एक छोटा सा उपकरण आए लेकिन असल में यह उससे बिल्कुल अलग है। क्वांटम कंप्यूटर का भौतिक आकार एक पूरे सुपरकंप्यूटिंग सेंटर के बराबर होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि क्यूबिट्स को शील्ड करने, ठंडा करने और नियंत्रण पल्स भेजने वाले घटक बहुत बड़े होते हैं क्योंकि उन्हें इतने छोटे क्वांटम सिस्टम पर सटीक ऑपरेशन करने होते हैं।
दिलचस्प बात यह है कि क्वांटम कंप्यूटर हर काम के लिए सबसे अच्छे नहीं होते। इन्हें विशिष्ट समस्याओं के लिए डिज़ाइन किया गया है, और वास्तव में ये सामान्य लैपटॉप कार्यों (जैसे ब्राउज़िंग, टाइपिंग, वीडियो देखना) के लिए अक्षम हैं। इसलिए, क्वांटम कंप्यूटर सुपरकंप्यूटरों की जगह नहीं लेंगे, बल्कि वे एक एक्सेलेरेटर की तरह उनके साथ मिलकर काम करेंगे।
इस संबंध को क्वांटम त्वरित सुपरकंप्यूटिंग कहा जाता है। क्वांटम कंप्यूटरों को संकलन, नियंत्रण, त्रुटि सुधार, अंशांकन और पोस्ट प्रोसेसिंग जैसे कार्यों के लिए हमेशा सुपरकंप्यूटरों की आवश्यकता होगी। कुछ क्षेत्रों में, कम विलंबता भी महत्वपूर्ण है, इसलिए क्वांटम और क्लासिकल प्रोसेसरों को भौतिक रूप से एक दूसरे के करीब रखना पड़ता है। दुनिया भर के सुपरकंप्यूटिंग केंद्रों ने अब क्यूपीयू को एकीकृत करना शुरू कर दिया है, और वे हाइब्रिड क्वांटम क्लासिकल कंप्यूटिंग पर शोध कर रहे हैं।
क्वांटम कंप्यूटर सिमुलेशन की भूमिका
किसी भी जटिल प्रणाली के निर्माण से पहले सिमुलेशन एक महत्वपूर्ण उपकरण है। जिस प्रकार एनवीडिया चिप के निर्माण से पहले उसका सिमुलेशन करती है ताकि विकास सस्ता और तेज हो सके, उसी प्रकार क्वांटम हार्डवेयर के लिए भी सिमुलेशन अत्यंत महत्वपूर्ण है। क्वांटम घटकों में अक्सर दुर्लभ या कम खोजे गए पदार्थों का उपयोग होता है, जिससे भौतिक प्रयोग कठिन या महंगे हो जाते हैं। इसलिए सिमुलेशन एक अनिवार्य उपकरण बन जाता है।
सिमुलेशन क्वांटम एल्गोरिदम के विकास और परीक्षण में भी सहायक होता है, क्योंकि वास्तविक क्वांटम हार्डवेयर सीमित, शोरगुल वाला और महंगा होता है इसलिए किसी भौतिक उपकरण पर हर चीज का परीक्षण करना व्यावहारिक नहीं है।
सिमुलेशन शोरगुल को वास्तविक रूप से मॉडल कर सकते हैं, या आदर्श रूप से शोरगुल रहित परिणाम भी उत्पन्न कर सकते हैं जो वास्तविक क्वांटम गणना के परिणामों की तुलना करने के लिए उपयोगी होते हैं। और अच्छी बात यह है कि अब व्यावहारिक शैक्षिक सामग्री उपलब्ध है जो नए डेवलपर्स और वैज्ञानिकों को शक्तिशाली सिमुलेशन टूल तक पहुंच प्रदान करती है।
कृत्रिम बुद्धिमत्ता और क्वांटम कंप्यूटिंग के बीच संबंध
कृत्रिम बुद्धिमत्ता और क्वांटम कंप्यूटिंग के बीच का संबंध बहुत ही दिलचस्प है दोनों एक दूसरे को बढ़ावा देने वाले हैं। एक ओर, यह उम्मीद की जाती है कि क्वांटम कंप्यूटिंग कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) अनुप्रयोगों को गति देगी और यहां तक कि नई एआई पद्धतियों को भी जन्म देगी।
इसे क्वांटम मशीन लर्निंग (क्यूएमएल) कहा जाता है । हालांकि, यह क्षेत्र अभी भी बहुत नया है, और उपयोगी क्यूएमएल एल्गोरिदम के लिए आवश्यक हार्डवेयर वर्तमान क्वांटम मशीनों से कई पीढ़ियां आगे है। दूसरी ओर, क्वांटम कंप्यूटिंग को बेहतर बनाने के लिए एआई का उपयोग करना क्वांटम के लिए एआई निकट भविष्य की बात है, और यह पहले से ही हो रहा है।
एआई नए क्वांटम एल्गोरिदम विकसित करने, हार्डवेयर प्रदर्शन बढ़ाने और क्वांटम कंप्यूटर संचालन से संबंधित चुनौतियों जैसे त्रुटि सुधार, अंशांकन, डिवाइस नियंत्रण, कार्य निर्धारण और सर्किट संकलन को हल करने में मदद कर रहा है। इसी कारण से, कृत्रिम बुद्धिमत्ता अब क्वांटम कंप्यूटिंग का एक अनिवार्य स्तंभ बन गई है।
क्या क्वांटम कंप्यूटर आज अस्तित्व में हैं?
अब सबसे बड़ा सवाल यह है: क्या क्वांटम कंप्यूटर वास्तव में बनाए जा चुके हैं? इसका जवाब है: हां, लेकिन फिलहाल वे प्रयोगों और प्रदर्शनों तक ही सीमित हैं। वर्तमान क्वांटम उपकरण सैकड़ों, और जल्द ही हजारों, क्यूबिट्स को तैयार करने, उनमें हेरफेर करने और उनसे डेटा प्राप्त करने में सक्षम हैं। इंजीनियरिंग की दृष्टि से ये काफी उन्नत हैं, लेकिन फिर भी ये किसी भी सार्थक, वास्तविक दुनिया के कार्य में सामान्य कंप्यूटरों को मात नहीं दे सकते।
क्वांटम लाभ शब्द का प्रयोग व्यापक रूप से उस बिंदु के लिए किया जाता है जब क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक कंप्यूटरों से बेहतर प्रदर्शन करना शुरू कर देंगे। लेकिन अमेरिकी सरकार एक बेहतर शब्द का प्रयोग करती है उपयोगिता स्तरीय क्वांटम कंप्यूटिंग जो इस बात पर जोर देता है कि क्वांटम कंप्यूटरों को न केवल तेज़ होना होगा, बल्कि लागत प्रभावी भी होना होगा।
वर्तमान उपकरण उद्योग जगत में क्रांतिकारी बदलाव लाने में सक्षम नहीं हैं क्योंकि उनके सैकड़ों या हजारों क्यूबिट शोर से प्रभावित होते हैं। व्यापक उपयोग के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग हासिल करने के लिए हार्डवेयर, त्रुटि सुधार और एल्गोरिदम इन तीनों क्षेत्रों में प्रगति की आवश्यकता है।
निष्कर्ष
तो आप समझ सकते हैं कि क्वांटम कंप्यूटर कोई जादुई डिब्बा नहीं है जो हर समस्या को पल भर में हल कर देगा। यह एक विशेष प्रकार की जटिल समस्याओं के लिए डिज़ाइन की गई एक अत्यंत विशिष्ट मशीन है चाहे वह नई दवाओं की खोज हो, वित्तीय जोखिम का आकलन करना हो या जटिल आपूर्ति श्रृंखलाओं को अनुकूलित करना हो। यह तकनीक अभी शुरुआती दौर में है, लेकिन जिस गति से शोध आगे बढ़ रहा है, उसे देखते हुए क्वांटम कंप्यूटिंग आने वाले वर्षों में दुनिया की सबसे बड़ी समस्याओं को हल करने में क्रांतिकारी साबित हो सकती है। यदि आप तकनीक के क्षेत्र में हैं या इसमें रुचि रखते हैं, तो क्वांटम कंप्यूटिंग सीखना अभी एक समझदारी भरा कदम हो सकता है क्योंकि भविष्य में इसकी सबसे अधिक मांग होगी।
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