नया हार्डवेयर यांत्रिक उपकरणों को क्वांटम तकनीक में एकीकृत करता है

नया हार्डवेयर यांत्रिक उपकरणों को क्वांटम तकनीक में एकीकृत करता है

पूरी तरह से पैक किए गए डिवाइस का एंगल्ड-व्यू फोटो। शीर्ष (यांत्रिक) चिप एक चिपकने वाले बहुलक द्वारा नीचे (क्विबिट) चिप का सामना करना पड़ता है। क्रेडिट: एग्नेटा क्लेलैंड

स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने भविष्य की क्वांटम भौतिकी-आधारित प्रौद्योगिकियों के लिए एक प्रमुख प्रयोगात्मक उपकरण विकसित किया है जो वर्तमान, रोजमर्रा के यांत्रिक उपकरणों से एक पृष्ठ उधार लेता है।

विश्वसनीय, कॉम्पैक्ट, टिकाऊ और कुशल, ध्वनिक उपकरण उपयोगी कार्यों को करने के लिए यांत्रिक गति का उपयोग करते हैं। ऐसे उपकरण का एक प्रमुख उदाहरण यांत्रिक थरथरानवाला है। जब एक बल द्वारा विस्थापित किया जाता है – जैसे ध्वनि, उदाहरण के लिए – डिवाइस के घटक अपनी मूल स्थिति के बारे में आगे-पीछे होने लगते हैं। इस आवधिक गति को बनाना फोन, कंप्यूटर और घड़ियों सहित सर्वव्यापी इलेक्ट्रॉनिक्स में समय, फ़िल्टर सिग्नल और इंद्रिय गति को बनाए रखने का एक आसान तरीका है।

शोधकर्ताओं ने यांत्रिक प्रणालियों के लाभों को रहस्यमय क्वांटम दायरे के अत्यंत छोटे पैमानों में लाने की कोशिश की है, जहां परमाणु नाजुक तरीके से बातचीत करते हैं और विपरीत तरीके से व्यवहार करते हैं। इस दिशा में, अमीर सफवी-नैनी के नेतृत्व में स्टैनफोर्ड के शोधकर्ताओं ने एक प्रकार के सर्किट के साथ छोटे नैनोमेकेनिकल ऑसिलेटर्स को जोड़कर नई क्षमताओं का प्रदर्शन किया है जो ऊर्जा को क्वैबिट, या क्वांटम “बिट” सूचना के रूप में संग्रहीत और संसाधित कर सकते हैं। डिवाइस की कक्षा का उपयोग करके, शोधकर्ता मैकेनिकल ऑसीलेटर की क्वांटम स्थिति में हेरफेर कर सकते हैं, जिससे क्वांटम मैकेनिकल प्रभाव उत्पन्न हो सकते हैं जो किसी दिन उन्नत कंप्यूटिंग और अल्ट्राप्रिसेज सेंसिंग सिस्टम को सशक्त बना सकते हैं।

स्टैनफोर्ड स्कूल ऑफ ह्यूमैनिटीज में एप्लाइड फिजिक्स विभाग में एक सहयोगी प्रोफेसर सफवी-नैनी ने कहा, “इस डिवाइस के साथ, हमने क्वांटम कंप्यूटर और मैकेनिकल सिस्टम के आधार पर अन्य उपयोगी क्वांटम डिवाइस बनाने की कोशिश में एक महत्वपूर्ण अगला कदम दिखाया है।” विज्ञान। सफवी-नैनी 20 अप्रैल को जर्नल में प्रकाशित एक नए अध्ययन की वरिष्ठ लेखिका हैं प्रकृति निष्कर्षों का वर्णन करना। “हम संक्षेप में ‘मैकेनिकल क्वांटम मैकेनिकल’ सिस्टम बनाने की तलाश में हैं, ” उन्होंने कहा।

कंप्यूटर चिप्स पर क्वांटम प्रभाव बढ़ाना

अध्ययन के संयुक्त प्रथम लेखक, एलेक्स वोलैक और एग्नेटा क्लेलैंड, दोनों पीएच.डी. स्टैनफोर्ड के उम्मीदवारों ने इस नए यांत्रिकी-आधारित क्वांटम हार्डवेयर को विकसित करने के प्रयास का नेतृत्व किया। परिसर में स्टैनफोर्ड नैनो साझा सुविधाओं का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने खेलने में संवेदनशील सामग्री को दूषित करने से अशुद्धियों को रोकने के लिए अर्धचालक विनिर्माण संयंत्रों में पहने जाने वाले शरीर को ढकने वाले सफेद “बनी सूट” में साफ-सुथरे कमरे में काम किया।

विशेष उपकरणों के साथ, वोलैक और क्लेलैंड ने दो सिलिकॉन कंप्यूटर चिप्स पर नैनोमीटर-स्केल रिज़ॉल्यूशन पर हार्डवेयर घटकों का निर्माण किया। शोधकर्ताओं ने फिर दो चिप्स का एक साथ पालन किया ताकि नीचे की चिप के घटकों को शीर्ष आधे, सैंडविच-शैली के लोगों का सामना करना पड़े।

नीचे की चिप पर, वोलैक और क्लेलैंड ने एक एल्यूमीनियम सुपरकंडक्टिंग सर्किट का निर्माण किया, जो डिवाइस की कक्षा बनाता है। इस सर्किट में माइक्रोवेव दालों को भेजने से फोटॉन (प्रकाश के कण) उत्पन्न होते हैं, जो डिवाइस में सूचनाओं की एक मात्रा को एन्कोड करते हैं। पारंपरिक विद्युत उपकरणों के विपरीत, जो बिट्स को 0 या 1 का प्रतिनिधित्व करने वाले वोल्टेज के रूप में संग्रहीत करते हैं, क्वांटम यांत्रिक उपकरणों में qubits भी एक साथ 0 और 1 के भारित संयोजन का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं। यह क्वांटम यांत्रिक घटना के कारण है जिसे सुपरपोजिशन के रूप में जाना जाता है, जहां एक क्वांटम सिस्टम एक साथ कई क्वांटम राज्यों में मौजूद होता है जब तक कि सिस्टम को मापा नहीं जाता है।

सफवी-नैनी ने कहा, “जिस तरह से क्वांटम मैकेनिकल स्तर पर वास्तविकता काम करती है, वह दुनिया के हमारे मैक्रोस्कोपिक अनुभव से बहुत अलग है।”

शीर्ष चिप में दो नैनोमेकेनिकल रेज़ोनेटर होते हैं, जो निलंबित, पुल जैसी क्रिस्टल संरचनाओं द्वारा निर्मित होते हैं, बस कुछ दसियों नैनोमीटर – या एक मीटर के अरबवें हिस्से – लंबे होते हैं। क्रिस्टल लिथियम नाइओबेट, एक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री से बने होते हैं। इस संपत्ति के साथ सामग्री एक विद्युत बल को गति में परिवर्तित कर सकती है, जिसका अर्थ है कि इस उपकरण के मामले में क्वबिट फोटॉन द्वारा व्यक्त विद्युत क्षेत्र को कंपन ऊर्जा के एक क्वांटम (या एक इकाई) में परिवर्तित किया जाता है जिसे फोनन कहा जाता है।

नया हार्डवेयर यांत्रिक उपकरणों को क्वांटम तकनीक में एकीकृत करता है

एक बेल राज्य का वैचारिक चित्रण, जिसमें दो ऑसिलेटर्स के बीच कंपन ऊर्जा की एक इकाई साझा की जाती है। सिस्टम एक साथ दो संभावित अवस्थाओं में मौजूद है: पहला संभव क्वांटम राज्य (कोष्ठक में, प्लस चिह्न के बाईं ओर) दाहिने हाथ के थरथरानवाला को कंपन और बाएं हाथ के थरथरानवाला को स्थिर खड़ा दिखाता है। दूसरी संभावित स्थिति बाएं हाथ के थरथरानवाला पर कब्जा करने वाली कंपन ऊर्जा को दिखाती है, जिसमें दाहिना हाथ अभी भी है। डिवाइस दोनों संभावित राज्यों के सुपरपोजिशन में मौजूद है – जिसका अर्थ है कि प्रत्येक थरथरानवाला एक ही समय में चल रहा है और नहीं चल रहा है – जब तक कि इसे मापा नहीं जाता है। सिस्टम का एक माप दो चित्रित (ब्रैकेटेड) परिणामों में से केवल एक प्राप्त करेगा: यदि बाएं हाथ के थरथरानवाला को कंपन करते हुए देखा गया था, तो दाहिना हाथ आवश्यक रूप से स्थिर होगा, और इसके विपरीत। यह दो थरथरानवाला के बीच उलझाव को दर्शाता है: केवल एक थरथरानवाला की गति के बारे में जानकारी जानने के लिए एक माप प्रदर्शन करके, एक पर्यवेक्षक दूसरे थरथरानवाला की स्थिति को भी अलग से मापने की आवश्यकता के बिना निर्धारित करेगा। क्रेडिट: एग्नेटा क्लेलैंड

क्लेलैंड ने कहा, “प्रकाश तरंगों की तरह, जिन्हें फोटॉन में परिमाणित किया जाता है, ध्वनि तरंगों को ‘कणों’ में परिमाणित किया जाता है, जिन्हें फोनन कहा जाता है,” और हमारे डिवाइस में इन विभिन्न रूपों की ऊर्जा को मिलाकर, हम एक हाइब्रिड क्वांटम तकनीक बनाते हैं जो फायदे का उपयोग करती है। दोनों। “

इन फोनों की पीढ़ी ने प्रत्येक नैनोमेकेनिकल ऑसिलेटर को एक रजिस्टर की तरह काम करने की अनुमति दी, जो कि कंप्यूटर में सबसे छोटा संभव डेटा-होल्डिंग तत्व है, और डेटा की आपूर्ति करने वाले क्वबिट के साथ। क्वबिट की तरह, ऑसिलेटर्स भी एक सुपरपोजिशन अवस्था में हो सकते हैं – वे एक ही समय में उत्साहित (1 का प्रतिनिधित्व) और उत्साहित नहीं (0 का प्रतिनिधित्व) दोनों कर सकते हैं। सुपरकंडक्टिंग सर्किट ने शोधकर्ताओं को रजिस्टरों में संग्रहीत डेटा को तैयार करने, पढ़ने और संशोधित करने में सक्षम बनाया, अवधारणात्मक रूप से पारंपरिक (गैर-क्वांटम) कंप्यूटर कैसे काम करते हैं।

सफवी-नैनी ने कहा, “सपना एक ऐसा उपकरण बनाने का है जो सिलिकॉन कंप्यूटर चिप्स के समान काम करता है, उदाहरण के लिए, आपके फोन में या थंब ड्राइव पर, जहां रजिस्टर बिट्स स्टोर करते हैं।” “और जब हम अभी तक एक थंब ड्राइव पर क्वांटम बिट्स को स्टोर नहीं कर सकते हैं, तो हम मैकेनिकल रेज़ोनेटर के साथ उसी तरह की चीज़ दिखा रहे हैं।”

उत्तोलन उलझाव

सुपरपोजिशन से परे, डिवाइस में फोटॉन और रेज़ोनेटर के बीच संबंध ने एक और महत्वपूर्ण क्वांटम यांत्रिक घटना का लाभ उठाया जिसे उलझाव कहा जाता है। उलझी हुई अवस्थाओं को प्रयोगशाला में बनाना इतना कठिन, और कुख्यात रूप से कठिन बनाता है, यह है कि सिस्टम की स्थिति के बारे में जानकारी कई घटकों में वितरित की जाती है। इन प्रणालियों में, दो कणों के बारे में एक साथ सब कुछ जानना संभव है, लेकिन व्यक्तिगत रूप से देखे गए कणों में से एक के बारे में कुछ भी नहीं। दो सिक्कों की कल्पना करें जो दो अलग-अलग जगहों पर फ़्लिप किए गए हैं, और जिन्हें समान संभावना के साथ यादृच्छिक रूप से हेड या टेल के रूप में देखा जाता है, लेकिन जब अलग-अलग जगहों पर माप की तुलना की जाती है, तो वे हमेशा सहसंबद्ध होते हैं; यानी, यदि एक सिक्का पूंछ के रूप में उतरता है, तो दूसरा सिक्का सिर के रूप में उतरने की गारंटी है।

कई क्वैबिट्स का हेरफेर, सभी सुपरपोज़िशन और उलझे हुए, एक-दो पंच पॉवरिंग कंप्यूटेशन और सेंसिंग-आफ्टर क्वांटम-आधारित तकनीकों में है। सफवी-नैनी ने कहा, “सुपरपोजिशन और बहुत सारे उलझाव के बिना, आप क्वांटम कंप्यूटर नहीं बना सकते।”

प्रयोग में इन क्वांटम प्रभावों को प्रदर्शित करने के लिए, स्टैनफोर्ड के शोधकर्ताओं ने एक एकल क्वाइब उत्पन्न किया, जो नीचे की चिप पर सर्किट में एक फोटॉन के रूप में संग्रहीत होता है। शेष जानकारी को दूसरे यांत्रिक उपकरण में स्थानांतरित करने से पहले सर्किट को शीर्ष चिप पर यांत्रिक ऑसिलेटर में से एक के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करने की अनुमति दी गई थी। इस तरह से ऊर्जा का आदान-प्रदान करके – पहले एक यांत्रिक थरथरानवाला के साथ, और फिर दूसरे थरथरानवाला के साथ – शोधकर्ताओं ने सर्किट का उपयोग एक उपकरण के रूप में किया ताकि क्वांटम यांत्रिक रूप से दो यांत्रिक अनुनादकों को एक दूसरे के साथ उलझा सके।

“क्वांटम यांत्रिकी की विचित्रता यहाँ पूर्ण प्रदर्शन पर है,” वोलैक ने कहा। “न केवल असतत इकाइयों में ध्वनि आती है, बल्कि ध्वनि के एक कण को ​​​​दो उलझी हुई मैक्रोस्कोपिक वस्तुओं के बीच साझा किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक में खरबों परमाणु चलते हैं – या नहीं चलते – संगीत कार्यक्रम में।”

अंततः व्यावहारिक गणना करने के लिए, निरंतर उलझाव, या सुसंगतता की अवधि, अब तक प्राप्त सेकंड के अंशों के बजाय सेकंड के क्रम पर – काफी लंबी होनी चाहिए। सुपरपोजिशन और उलझाव दोनों ही अत्यधिक नाजुक स्थितियां हैं, जो गर्मी या अन्य ऊर्जा के रूप में मामूली गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील हैं, और तदनुसार प्रस्तावित क्वांटम सेंसिंग उपकरणों को उत्कृष्ट संवेदनशीलता के साथ प्रदान करते हैं। लेकिन सफवी-नैनी और उनके सह-लेखकों का मानना ​​​​है कि निर्माण प्रक्रियाओं का सम्मान करके और शामिल सामग्रियों को अनुकूलित करके लंबे समय तक सुसंगतता को आसानी से प्राप्त किया जा सकता है।

सफवी-नैनी ने कहा, “हमने पिछले चार वर्षों में अपने सिस्टम के प्रदर्शन में हर साल लगभग 10 गुना सुधार किया है।” “आगे बढ़ते हुए, हम कंप्यूटर और सेंसर जैसे क्वांटम यांत्रिक उपकरणों को तैयार करने की दिशा में ठोस कदम उठाना जारी रखेंगे, और मैकेनिकल सिस्टम के लाभों को क्वांटम डोमेन में लाएंगे।”


भौतिक विज्ञानी क्वांटम माइक्रोफोन के साथ ध्वनि कणों की गणना करते हैं


अधिक जानकारी:
ई। एलेक्स वोलैक एट अल, क्वांटम राज्य की तैयारी और उलझी हुई यांत्रिक अनुनादकों की टोमोग्राफी, प्रकृति (2022)। डीओआई: 10.1038 / s41586-022-04500-y

स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय द्वारा प्रदान किया गया

उद्धरण: नया हार्डवेयर यांत्रिक उपकरणों को क्वांटम तकनीक (2022, 22 अप्रैल) में एकीकृत करता है, 24 अप्रैल 2022 को https://phys.org/news/2022-04-hardware-mechanical-devices-quantum-tech.html से पुनर्प्राप्त किया गया।

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