क्वान्टम कम्प्युटर कस्तो हुन्छ भनेर तपाईंलाई कसैले सोध्यो भने मस्तिष्कमा कस्तो चित्र बन्छ? 

सायद तपाईंले साधारण कम्प्युटरको कल्पना गर्नुहुन्छ, केही हदसम्म ठूलो मात्र। बस् त्यसमा केही जादुमय भएको तपाईंको आँकलन हुन सक्छ। ल्यापटप र डेस्कटपलाई केही क्षणका लागि भुल्नुहोस्। क्वान्टम कम्प्युटरको आवरण र कार्यशैली दुवै अन्य कम्प्युटरभन्दा फरक किसिमको हुने गर्छ।

क्वान्टम कम्प्युटर निर्माणका लागि अहिले धेरै विधिहरूको विकास भइसकेको छ। तर, सहजताका लागि एउटा प्रचलित डिजाइनको सहायताले क्वान्टम कम्प्युटरले कसरी काम गर्छ भन्ने जान्ने प्रयास गरौं।

एउटा झुन्ड्याइएको बत्तीको कल्पना गर्नुहोस् जुन तपाईंले देख्नु भएको बत्तीको तुलनामा नितान्त भिन्न छ। त्यसमा बङ्ग्याइएको एउटा पातलो तार मात्रै नभई धेरै त्यस्ता तार छन्। माथिदेखि तलतर्फ साँघुरो हुँदै जानेगरी ती तारका तह रहेका छन्। त्यस बत्तीलाई सुनका पत्ताहरूको प्रयोगबाट विभिन्न भागमा विभाजन गरिएको छ।

यो संरचनाको बाहिरी भागलाई ‘स्यान्डलियर’ नाम दिइएको छ। यो एक सुपरचार्जड रेफ्रिजिरेटर हो, जसमा तरल हिलियमको प्रयोगबाट कम्प्युटरको क्वान्टम चिपलाई ‘एब्सोलुट जिरो’सम्म चिस्याउने काम गर्छ। एब्सोलुट जिरो भनेको सिद्धान्ततः कायम गर्न सकिने सबैभन्दा कम तापक्रम हो।

यस किसिमको न्यून तापक्रममा चिपमा भएको मसिना ‘सुपरकन्डक्टिङ सर्किट’ तिनको ‘क्वान्टम’ चरित्रमा आउन सक्छन्। परम्परागत कम्प्युटरमा गर्न नसकिने कामका लागि त्यस्तो चरित्र कसरी सहयोगी हुन्छ भन्ने कुरा नै क्वान्टम कम्प्युटरको सञ्चालनको मुख्य पाटो हो।

परम्परागत कम्प्युटर बाइनरी (दुई संख्यामा आधारित संख्या पद्घति) मा आधारित छन्। बाइनरी पद्धतिमा प्रयोग हुने दुई संख्या १ र ० हुन्। १ को अर्थ ‘अन’ (खुला) हुने गर्छ भने ० को अर्थ ‘अफ’ (बन्द) हुने गर्छ। 

तपाईंको फोन वा ल्यापटपमा सूचना प्रशोधन गर्ने अर्बौँ ट्रान्जिस्टरको सञ्चालन यही बाइनरी पद्धतिमा आधारित हुने गर्छ।

परम्परागत कम्प्युटरको निर्माण केही अपरिहार्य नियममा आधारित हुने गर्छ। यसकारण परम्परागत कम्प्युटर निकै भरपर्दो हुने गर्छन्, तर बालुवामा सियो खोज्नेजस्ता केही समस्या समाधानका लागि ती कम्प्युटर प्रभावकारी हुन सक्दैनन्। अनि क्वान्टम कम्प्युटरको सान्दर्भिकताको सिर्जना हुने गर्छ।

तपाईंले कम्प्युटरलाई एक भुलभुलैया पार गर्न खोजी रहेको मुसाका रूपमा हेर्ने हो भने परम्परागत कम्प्युटरले भुलभुलैयाको अन्तमा पुग्न हरेक बाटोको प्रयोग गर्छ र, अन्त्यमा सही बाटो समात्छ। 

यसरी एकपछि अर्को गर्दै प्रयास गरेर सही बाटो पत्ता लगाउनुको साटो सबै बाटाहरूको परीक्षण एकैचोटी गर्न सके कस्तो हुन्थ्यो होला?

यो काम क्वान्टम कम्प्युटरले परम्परागत कम्प्युटरले प्रयोग गर्ने बाइनरी संख्या (बिट) को ठाउँमा ‘क्युबिट’ को प्रयोग गर्छ। आणविक र उपआणविक तहमा भौतिकशास्त्र फरक ढंगले काम गर्छ भन्ने क्वान्टम मेकानिक्सको नियममा क्युबिट अधारित हुने गर्छ।  

क्वान्टम मेकानिक्स के हो भन्ने बुझ्न तल र माथि गरी दुईवटा चिरा ढलाम्चो किसिमको प्वाल भएको भित्तामा प्रकाश दिएर हेर्न सकिन्छ। माथिल्लो चिराबाट केही प्रकाश जान्छ, केही तल्लो चिराबाट जान्छ। 

प्रकाशका तरंग एक अर्कासँग ठोक्किएर पारिपट्टि रहेको स्क्रिनमा एक ढाँचा सिर्जना गर्छन् जसलाई ‘इन्टरफेरेन्स प्याटर्न’ भनिन्छ। 

अब प्रकाशलाई यतिसम्म मधुरो बनाउनुहोस् कि प्रकाशको आधारभूत तत्व फोटोन एक एक गर्दै निस्किउन्। तार्किक ढंगले हेर्ने हो भने हरेक फोटोन एउटा चिराबाट प्रवेश गर्दा त्यो फोटोन केहीसँग पनि ठोक्किने सम्भावना हुँदैन, तर ‘इन्टरफेरेन्स प्याटर्न’ भने सिर्जना हुन्छ। 

यसको व्याख्या क्वान्टम मेकानिक्ससँग छ। स्क्रिनमा फोटोन ठोक्किनुअघि त्यो यस्तो स्थितिमा हुन्छ, जसलाई ‘सुपरपोजिसन’ भन्ने गरिन्छ। त्यो यस्तो अवस्था हो, जसमा फोटोन हरेक सम्भव दिशामा एकैपटक यात्रा गरिरहेको हुन्छ। त्यो अवस्था स्क्रिनमा ठोक्किएर एक मात्रै विन्दु सिर्जना गरुन्जेलसम्म कायम रहने गर्छ। यसको प्रयोग क्युबिटले एकदमै कुशल गणनाका लागि प्रयोग गर्ने गर्छ। 

हामीले अघि चर्चा गरेको भुलभुलैयाको उदाहरणमा सुपरपोजिसनको अवस्थासँग जोड्ने हो भने हरेक बाटोको परीक्षण एकसाथ गर्न सकिन्छ। त्यसपछि सटिक बाटो पत्ता लगाउन सुपरपोजिसनको अवस्थालाई अन्त्य गर्नुपर्ने हुन्छ।

प्रकाशका तरंग एक अर्कासँग ठोक्किएर पारिपट्टि रहेको स्क्रिनमा एक ढाँचा सिर्जना गर्छन् जसलाई ‘इन्टरफेरेन्स प्याटर्न’ भनिन्छ। 

परम्परागत कम्प्युटरको क्षमता बढाउन ट्रान्जिस्टरको संख्या बढाएजस्तै क्वान्टम कम्प्युटरको क्षमता बढाउन क्युबिटहबको संख्या बढाउनुपर्ने हुन्छ।  

क्वान्टम केकानिक्सले व्याख्या गरेको गुण ‘इन्ट्यांगलमेन्ट’ का कारण क्युबिटहरू एक अर्कासंग सम्पर्कमा नभए पनि वैज्ञानिकहरूले फरकफरक क्युबिटलाई एकै अवस्थामा ल्याउन सक्छन्। हरेक क्युबिट दुई अवस्थाको सुपरपोजिसनमा रहने गर्छन्, तर एक क्युबिटलाई अर्को क्युबिटसँग ‘इन्ट्यांगल’ गर्दा त्यसको वृद्धि घातीय ढंगले हुने गर्छ। त्यसैले दुई क्युबिट प्रणालीले चार सम्भावित मानहरूलाई भण्डारण गर्न सक्छ भने २० क्युबिट प्रणालीले १० लाखभन्दा बढी मानहरू भण्डारण गर्न सक्छ। 

कम्प्युटरको क्षमतामा यसले के अर्थ राख्छ? यस प्रश्नले क्वान्टम प्रविधिको प्रयोग रूढ संख्या (प्राइम नम्बार) सँग सम्बन्धित एक समस्याको समाधानमा गर्न प्रेरित गर्छ। 

रूढ संख्या भनेको एकभन्दा बढी मान भएको यस्तो संख्या हो, जसलाई एक वा आफैँले मात्र भाग गर्न सकिन्छ। साना संख्यालाई गुणान गरेर ठूला संख्या निकाल्न सजिलो भए पनि त्यसको उल्टो गर्न निकै गाह्रो हुने गर्छ।
 
डेटा इन्क्रिप्सन (तथ्यांक गोप्यकरण) का लागि प्रयोग हुने सबैभन्दा प्रभावकारी तरिका आरएसएको अधार पनि यही रहेको छ। 

गाेप्य आरएसए सुरक्षालाई सुल्झाउने एकमात्र तरिका दुई रूढ संख्याको गुणन (प्रडक्ट) बाट कारक (फ्याक्टर) पत्ता लगाउनु रहेको छ। हरेक रूढ कारकमा हजारौं अंक हुने गर्छन्। यस्ता कारक उत्तर अग्रीमरूपमा पत्ता नलगाई समाधान गर्न नसकिने समस्याको समाधानका लागि मुख्य कडी नै हुने गर्छन्। 

म्यासचुसेट्स इन्स्टिच्युट अफ टेक्नोलोजीका गणितिज्ञ पिटर सोरले सन् १९९५ मा यस्तो अल्गोरिदम (चरणबद्ध रूपमा कुनै समस्या समाधानका लागि प्रयोग गरिने विधी) विकास गरे जसले जुनसुकै आकारको रूढ संख्याको कारक पत्ता लगाउन सक्ने भयो। कुनै दिन  क्वान्टम कम्प्युटरले आफ्नो क्षमता र सोर अल्गोरिदमको प्रयोगबाट तपाईंको बैँक रेकर्डदेखि व्यक्तिगत जानकारी पत्ता लगाउनसक्ने सम्भावना छ।

सन् २००१ मा आइबिएम कम्पनीले सात क्युबिटको कम्प्युटर बनाएर सोर अल्गोरिदमको परीक्षण गरेको थियो। क्युबिटका लागि उनीहरूले आणविक केन्द्र अर्थात् न्युक्लियसको प्रयोग गरे जसको दुई फरक दिशामा घुम्ने प्रवृत्ति हुने गर्छ जसलाई रेडियो फ्रिक्वेन्सीको प्रयोगबाट नियनत्रण गर्न सकिन्छ।

क्वान्टम कम्प्युटर विकास गर्ने यो उत्तम उपाय थिएन किनभने यसरी क्षमता वृद्धि गर्न एकदमै गाह्रो हुने गर्छ। यद्यपि, आइबिएमको विधिले सोर अल्गोरिदमको सफल परीक्षण गरेको थियो, जसमा उक्त अल्गोरिदमले १५ का कारक ३ र ५ रहेको देखाएको थियो। यो कुनै ठूलो हिसाब नभए पनि अल्गोरिदमले काम गर्छ भन्ने असल प्रमाण रहेको थियो। 

अहिले पनि विज्ञहरू क्वान्टम कम्प्युटरलाई परिमार्जन गर्ने कार्यमा लागिपरेका छन्। यो एकदमै चुनौतीपूर्ण काम हो किनभने क्वान्टम अवस्था एकदमै क्षणिक हुने गर्छ। सुपरकुलिङ गरिएको भ्याक्युम चम्बरमा लेजरको प्रयोग गर्दा समेत क्युबिटहरूलाई बाहिरको वातावरणसँग अन्तर्क्रिया गर्नबाट रोक्न एकदमै गाह्रो हुने गर्छ। 

सन् २००१ मा आइबिएम कम्पनीले सात क्युबिटको कम्प्युटर बनाएर सोर अल्गोरिदमको परीक्षण गरेको थियो। क्युबिटका लागि उनीहरूले आणविक केन्द्र अर्थात् न्युक्लियसको प्रयोग गरे जसको दुई फरक दिशामा घुम्ने प्रवृत्ति हुने गर्छ जसलाई रेडियो फ्रिक्वेन्सीको प्रयोगबाट नियनत्रण गर्न सकिन्छ।

प्रणालीमा कुनै किसिमको कोलाहल सिर्जना हुँदा सुपरपोजिसनको स्थितिको अन्त्य हुन्छ र कम्प्युटरबाट सूचना नस्ट हुन्छ। यो स्थितिलाई ‘डिकोहेरेन्स’ (दूरसंगतता) नाम दिइएको छ। 

क्वान्टम कम्प्युटिङमा सानो मात्राको त्रुटि स्वभाविक हुने गर्छ किनभने हामी बाइनरी प्रणालीका नियमहरूको यथास्थितिमा प्रयोगभन्दा सम्भाव्यतामा ध्यान दिइरहेका हुन्छौँ। तर, डिकोहेरेन्सले कहिलेकाही यति कोलाहल सिर्जना गर्छ कि त्यसले नतिजा नै अस्पष्ट बनाउने गर्छ।

एउटा क्युबिट मात्रै डिकोहेरेन्समा जाँदा पूरै प्रणाली सञ्चालन गर्ने इन्टेंगलमेन्टमा ठूलो असर पुर्याउँछ। 

त्यसो भए यो समस्याको समाधान कसरी हुन सक्छ त? यसको समाधान त्रुटि सुधारबाट हुन सक्छ, जसका लागि केही तरिका छन्। 

त्रुटि सुधार विधि १ः पूर्णरूपमा त्रुटि सुधार गरिएको क्वान्टम कम्प्युटरले ‘बिट फ्लिपजस्ता साधारण समस्या सजिलै समाधान गर्न सक्छ जसमा क्युबिटले एक्कासि आफ्नो स्थिति परिवर्तन गर्ने गर्छ। यसका लागि गणना गर्ने क्युबिटबाहेक त्रुटि सुधारमा मात्रै काम गर्ने क्वान्टम कम्प्युटर बनाउनु पर्ने हुन्छ। कुनै पनि प्रणाली राम्रोसँग सञ्चालन गर्नका लागि ठूलो मात्रामा त्रुटि सुधार गर्ने क्युबिट राख्नुपर्ने हुन्छ। त्यस्तो संख्या प्रति गणक क्युबिट बराबर १०० त्रुटि सुधार क्युबिटसम्म हुन सक्छ। कठिन भए पनि यसले अन्त्यमा एकदमै भरपर्दो र उपयोगी क्वान्टम कम्प्युटर बनाउन मद्दत गर्छ। 

त्रुटि सुधार विधि २ः अन्य केही विज्ञहरू भने विभिन्न त्रुटिहरूले सिजर्ना गर्ने कोलाहलको समस्या समाधान गर्न अन्य तरिकाहरू विकास गर्न पनि लागिपरेका छन्। उनीहरू कोलाहलपूर्ण मध्यवर्ती क्षमता भएको क्वान्टम कम्प्युटर विकास गरिरहेको बताउँछन्। यो विधि कहिलेकाहीँ सहयोगी भए पनि धेरै अवस्थामा काम नलाग्न सक्छ।

त्रुटि सुधार विधि ३ः अर्को तरिका भनेको क्युबिटको यस्तो नयाँ स्रोतको खोजी हो जुन कोलाहलप्रति कम प्रतिक्रियात्मक भई सूचना क्षय हुन नदिन सक्छ। तर, यस्तो सामग्री एकदमै काल्पनिक छन् र, यिनको खोजीका लागि अझै वर्षौँ वा दशकौँ लाग्न सक्छ। केही उपलब्धी भए पनि यस किसिमको समस्याका कारण क्वान्टम कम्प्युटरको विकासको गति एकदमै न्यून रहँदै आएको छ।

सन् २०१९ मा गुगलले ५४ क्युबिटको सिकामोर नामको नयाँ क्वान्टम कम्प्युटर विकास गर्यो । यो कम्प्युटर आइबिएमले विकास गरेको कम्प्युटरभन्दा धेरै हिसाबले फरक रहेको थियो। सिकामोरले सुपरकन्डक्टिङ सर्किटलाई यति कम तापक्रमसम्म लान सक्छ कि त्यसमा प्रवाहित हुने विद्युतले क्वान्टम मेकानिकल प्रणालीका रूपमा काम गर्न थाल्छ। हाल यो क्वान्टम कम्प्युटर निर्माणको प्रमुख विधिमा पर्छ।

क्वान्टम कम्प्युटरको विकासमा लगानी सरकारी र निजी दुवै क्षेत्रबाट बढ्दो छ। तर, असली प्रश्न भने क्वान्टम कम्प्युटिङले हाम्रो कम्युटरबारे बुझाइमा कस्तो परिवर्तन ल्याउँछ र, त्यसले विद्युतीय रूपमा झन्झन् जोडिँदै गएको विश्वमा कस्तो परिवर्तन कहिले ल्याउँछ भन्ने रहेको छ।

(साइन्टिफक अमेरिकनमा प्रकाशित यो लेख केन्द्रबिन्दुका लागि कुशल बस्नेतले अनुवाद गरेका हुन्)