ചലിക്കുന്ന ക്യൂബിറ്റുകൾ: ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗിലെ പുതിയ വിപ്ലവം

ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്. സാങ്കേതിക ലോകത്തെ അടുത്ത വലിയ കുതിച്ചുചാട്ടമെന്ന് വാഴ്ത്തപ്പെടുന്ന ഈ സ്വപ്നം യാഥാർത്ഥ്യമാക്കാൻ ലോകമെമ്പാടുമുള്ള ഗവേഷകർ കഠിന പ്രയത്നത്തിലാണ്. ഇന്നത്തെ സൂപ്പർ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്ക് പോലും പരിഹരിക്കാൻ കഴിയാത്ത സങ്കീർണ്ണമായ പ്രശ്നങ്ങൾക്ക് ഉത്തരം കണ്ടെത്താൻ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്ക് കഴിയുമെന്നാണ് പ്രതീക്ഷ. എന്നാൽ ഈ സ്വപ്നത്തിലേക്കുള്ള വഴിയിൽ വലിയൊരു കടമ്പയുണ്ട്: വിശ്വസനീയവും ധാരാളമായി നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയുന്നതുമായ ക്യൂബിറ്റുകൾ (qubits) ഉണ്ടാക്കിയെടുക്കുക.

ഈ രംഗത്തെ ഏറ്റവും വലിയ വെല്ലുവിളികളിലൊന്നിന് പരിഹാരമായേക്കാവുന്ന ഒരു നിർണായക കണ്ടെത്തലാണ് ഇപ്പോൾ നെതർലാൻഡ്‌സിലെ ഡെൽഫ്റ്റ് യൂണിവേഴ്സിറ്റി ഓഫ് ടെക്നോളജിയിലെയും ക്യൂടെക് (QuTech) എന്ന സ്റ്റാർട്ടപ്പിലെയും ഗവേഷകർ ചേർന്ന് നടത്തിയിരിക്കുന്നത്. ഇലക്ട്രോണിക് ചിപ്പുകളിൽ നിർമ്മിച്ചതിന് ശേഷവും സ്ഥാനമാറ്റം വരുത്താൻ കഴിയുന്ന ചലിക്കുന്ന ക്യൂബിറ്റുകൾ അവർ വിജയകരമായി പരീക്ഷിച്ചു. ഇത് ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗിന്റെ തലവര തന്നെ മാറ്റിയെഴുതാൻ ശേഷിയുള്ള ഒരു ചുവടുവെപ്പായാണ് വിലയിരുത്തപ്പെടുന്നത്.

ക്വാണ്ടം ലോകത്തെ രണ്ട് തട്ടുകൾ

ഇതുവരെ, ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ നിർമ്മിക്കാൻ പ്രധാനമായും രണ്ട് വഴികളാണ് ശാസ്ത്രലോകം പിൻതുടർന്നിരുന്നത്. ഓരോന്നിനും അതിന്റേതായ ഗുണങ്ങളും ദോഷങ്ങളുമുണ്ട്.

ഒന്നാമത്തെ വഴി, നിലവിലെ കമ്പ്യൂട്ടർ ചിപ്പുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിന് സമാനമായ സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിച്ച് ക്യൂബിറ്റുകൾ നിർമ്മിക്കുക എന്നതാണ്. ഇവയെ ‘ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ’ (quantum dots) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഇങ്ങനെ ചെയ്യുമ്പോൾ, ഒരു ചിപ്പിൽ ആയിരക്കണക്കിന്, ഒരുപക്ഷേ ദശലക്ഷക്കണക്കിന് ക്യൂബിറ്റുകളെ ഉൾക്കൊള്ളിക്കാൻ സാധിക്കും. നിർമ്മാണച്ചെലവ് കുറവാണെന്നതും ഒരു വലിയ നേട്ടമാണ്. എന്നാൽ ഇവിടെയൊരു പ്രശ്നമുണ്ട്. ചിപ്പ് നിർമ്മിക്കുമ്പോൾ ഓരോ ക്യൂബിറ്റിന്റെയും സ്ഥാനം സ്ഥിരമായി ഉറപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. അവ തമ്മിലുള്ള ബന്ധങ്ങളും മാറ്റാൻ കഴിയില്ല. ഒരു കെട്ടിടത്തിലെ മുറികൾ പോലെ, എല്ലാം സ്ഥിരമാണ്. പിന്നീട് ഒരു മാറ്റം വരുത്തണമെങ്കിൽ പുതിയൊരു ചിപ്പ് തന്നെ നിർമ്മിക്കേണ്ടി വരും.

രണ്ടാമത്തെ വഴി, അറ്റോമിക് കണങ്ങളെ (atoms or ions) ക്യൂബിറ്റുകളായി ഉപയോഗിക്കുക എന്നതാണ്. ലേസറുകളും കാന്തിക വലയങ്ങളും ഉപയോഗിച്ച് ഈ കണങ്ങളെ നിയന്ത്രിക്കാനും ഒരിടത്തുനിന്ന് മറ്റൊരിടത്തേക്ക് മാറ്റാനും സാധിക്കും. ഇത് വലിയൊരു സൗകര്യമാണ് നൽകുന്നത്. ഏത് ക്യൂബിറ്റിനെയും മറ്റേത് ക്യൂബിറ്റുമായി ബന്ധിപ്പിക്കാൻ (entangle) ഇത് അവസരം നൽകുന്നു. ഇത് കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമമായ കണക്കുകൂട്ടലുകൾക്കും തെറ്റുകൾ തിരുത്താനുമുള്ള (error correction) വഴികൾ തുറക്കുന്നു. എന്നാൽ ഇതിന്റെ നിർമ്മാണവും പരിപാലനവും അതീവ സങ്കീർണ്ണവും ചെലവേറിയതുമാണ്. ആയിരക്കണക്കിന് ക്യൂബിറ്റുകളെ ഇങ്ങനെ നിയന്ത്രിക്കുന്നത് തലവേദന സൃഷ്ടിക്കുന്ന കാര്യമാണ്.

ചുരുക്കത്തിൽ, നിർമ്മിക്കാനുള്ള എളുപ്പവും എണ്ണക്കൂടുതലും ഒരു വശത്ത്, പ്രവർത്തനത്തിലെ ευελιξία (flexibility) മറുവശത്ത്. ഇതിൽ ഏത് തിരഞ്ഞെടുക്കും എന്നതായിരുന്നു ഇതുവരെയുള്ള ആശയക്കുഴപ്പം.

കളിയുടെ ഗതിമാറ്റുന്ന കണ്ടുപിടുത്തം

ഈ രണ്ട് വഴികളുടെയും നല്ല വശങ്ങൾ ഒരുമിപ്പിക്കാൻ കഴിയുമോ? ഈ ചോദ്യത്തിനുള്ള ഉത്തരമാണ് പുതിയ ഗവേഷണം നൽകുന്നത്. ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിച്ച ക്യൂബിറ്റുകളെ, അതായത് ഇലക്ട്രോണിക് ചിപ്പിൽ ഉറപ്പിച്ച ക്യൂബിറ്റുകളെ, ഒരു സ്ഥാനത്ത് നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് നീക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് അവർ തെളിയിച്ചു.

ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്റെ ‘സ്പിൻ’ (spin) എന്ന ക്വാണ്ടം സവിശേഷതയാണ് ഇവിടെ ക്യൂബിറ്റായി പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. ഈ ഇലക്ട്രോണിനെ ഒരു ക്വാണ്ടം ഡോട്ട് എന്ന അതിസൂക്ഷ്മമായ ‘കൂട്ടിൽ’ അടച്ചിടുന്നു. ഗവേഷകർ ചെയ്തത്, ഒരു നിരയിലുള്ള നിരവധി ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകളിലൂടെ ഈ ഇലക്ട്രോണിനെ പതുക്കെ തള്ളിനീക്കുകയാണ്. കൃത്യമായ ഇലക്ട്രിക് സിഗ്നലുകൾ നൽകി ഒരു കൂട്ടിൽ നിന്ന് അടുത്ത കൂട്ടിലേക്ക്, അങ്ങനെ ആ നിരയിലൂടെ ഇലക്ട്രോണിനെ അവർക്ക് ചലിപ്പിക്കാൻ സാധിച്ചു.

ഏറ്റവും പ്രധാനം, ഈ സ്ഥാനമാറ്റത്തിനിടയിൽ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ക്വാണ്ടം വിവരങ്ങൾക്കൊന്നും ഒരു കോട്ടവും സംഭവിച്ചില്ല എന്നതാണ്. അതായത്, ക്യൂബിറ്റിന്റെ മൂല്യം നഷ്ടപ്പെടാതെ തന്നെ അതിനെ ചിപ്പിനുള്ളിൽ ഒരിടത്തുനിന്ന് മറ്റൊരിടത്തേക്ക് മാറ്റാൻ കഴിഞ്ഞു. ഇതോടെ, ഉറപ്പിച്ചു നിർമ്മിച്ച ചിപ്പുകൾക്കുള്ളിൽ ചലിക്കുന്ന ക്യൂബിറ്റുകൾ എന്ന ആശയം യാഥാർത്ഥ്യമായി.

എന്തുകൊണ്ട് ഇത് നിർണായകമാകുന്നു?

ഈ കണ്ടെത്തൽ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് രംഗത്ത് വലിയ വാതിലുകളാണ് തുറന്നിടുന്നത്. ഇതിന്റെ പ്രാധാന്യം മനസ്സിലാക്കാൻ ചില കാര്യങ്ങൾ അറിയണം:

• അബദ്ധങ്ങൾ തിരുത്താനുള്ള കഴിവ്: ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ വളരെ സെൻസിറ്റീവ് ആണ്. ചെറിയ താപവ്യതിയാനങ്ങളോ മറ്റ് തടസ്സങ്ങളോ കണക്കുകൂട്ടലുകളിൽ വലിയ പിഴവുകൾ വരുത്താം. ഇത് പരിഹരിക്കാൻ ‘ക്വാണ്ടം എറർ കറക്ഷൻ’ എന്ന സങ്കേതം ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇതിനായി പല ക്യൂബിറ്റുകളെ ഒരുമിച്ച് ചേർത്ത് ഒരു ‘ലോജിക്കൽ ക്യൂബിറ്റ്’ ഉണ്ടാക്കണം. ഇതിന് ക്യൂബിറ്റുകൾ തമ്മിൽ പലതരത്തിലുള്ള ബന്ധങ്ങൾ ആവശ്യമാണ്.
• വഴക്കത്തിന്റെ പ്രാധാന്യം: സ്ഥിരമായി ഉറപ്പിച്ച ക്യൂബിറ്റുകളുള്ള ഒരു ചിപ്പിൽ, നിർമ്മാണ സമയത്ത് തീരുമാനിച്ച രീതിയിൽ മാത്രമേ ക്യൂബിറ്റുകളെ ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയൂ. പിന്നീട് പുതിയതും മികച്ചതുമായ ഒരു എറർ കറക്ഷൻ രീതി വന്നാൽ അത് ആ ചിപ്പിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയില്ല. എന്നാൽ ചലിക്കുന്ന ക്യൂബിറ്റുകൾ ഉണ്ടെങ്കിൽ, ആവശ്യമനുസരിച്ച് അവയുടെ സ്ഥാനം മാറ്റി പുതിയ രീതിയിലുള്ള ബന്ധങ്ങൾ സ്ഥാപിക്കാൻ സാധിക്കും.
• മികച്ച പ്രകടനം: ആവശ്യമുള്ള ക്യൂബിറ്റുകളെ മാത്രം അടുത്തേക്ക് കൊണ്ടുവന്ന് പ്രവർത്തനങ്ങൾ നടത്താനും ആവശ്യമില്ലാത്തവയെ അകറ്റി നിർത്താനും സാധിക്കുന്നത് കണക്കുകൂട്ടലുകളുടെ വേഗതയും കൃത്യതയും വർദ്ധിപ്പിക്കും.

ലളിതമായി പറഞ്ഞാൽ, നിർമ്മാണ സമയത്ത് തന്നെ എല്ലാം തീരുമാനിച്ചുറപ്പിച്ച ഒരു സർക്യൂട്ട് ബോർഡിന് പകരം, പിന്നീട് നമ്മുടെ ഇഷ്ടത്തിനനുസരിച്ച് വയറിംഗ് മാറ്റാൻ കഴിയുന്ന ഒരു പ്രോഗ്രാമബിൾ ബോർഡ് പോലെയാണിത്. ഇത് ഗവേഷകർക്ക് നൽകുന്ന സ്വാതന്ത്ര്യം വളരെ വലുതാണ്.

മുന്നോട്ടുള്ള പാത

ഇതൊരു തുടക്കം മാത്രമാണ്. ഒരു നേർരേഖയിലുള്ള ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകളിലാണ് ഈ പരീക്ഷണം വിജയിച്ചത്. അടുത്ത ഘട്ടം, ഒരു ചെസ് ബോർഡിലെ കളങ്ങൾ പോലെ, രണ്ട് ദിശകളിലേക്കും (2D Grid) ക്യൂബിറ്റുകളെ ചലിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന സംവിധാനം വികസിപ്പിക്കുക എന്നതാണ്. അത് വിജയിച്ചാൽ, സങ്കീർണ്ണമായ ക്വാണ്ടം അൽഗോരിതങ്ങൾ പ്രവർത്തിപ്പിക്കാൻ ആവശ്യമായ രീതിയിൽ ക്യൂബിറ്റുകളെ ക്രമീകരിക്കാൻ സാധിക്കും.

ഈ ഗവേഷണം ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് എന്ന സ്വപ്നത്തിലേക്ക് ലോകത്തെ ഒരു പടി കൂടി അടുപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. നിർമ്മാണത്തിലെ ലാളിത്യവും പ്രവർത്തനത്തിലെ വഴക്കവും ഒരുമിപ്പിക്കുന്ന ചലിക്കുന്ന ക്യൂബിറ്റുകൾ, വരും വർഷങ്ങളിൽ ഈ രംഗത്തെ പ്രധാന ചർച്ചാവിഷയമാകുമെന്ന് ഉറപ്പാണ്. ഇന്ത്യയിലെ ഐ.ഐ.ടി കളിലും ഐ.ഐ.എസ്.സി യിലുമൊക്കെ നടക്കുന്ന ക്വാണ്ടം ഗവേഷണങ്ങൾക്കും ഇത് പുതിയ ദിശാബോധം നൽകിയേക്കാം.