काही अणूंएवढी जाडी असलेली सामग्री वापरून तयार केलेल्या नॅनोचिप्स चा उपयोग क्वांटम संगणनासाठी करण्याचा संशोधकांचा प्रस्ताव

ज्या संगणनासाठी आजच्या अगदी प्रगत सूपरकम्प्यूटर्सना सुद्धा १०००० वर्षे लागू शकतात ते संगणन गुगलचे क्वांटम प्रोसेसर निव्वळ २०० सेकंदात करू शकतात असा दावा ऑक्टोबर २०१९ मध्ये गुगल ने केला. आयबीएमने ह्या दाव्याला आव्हान दिले असले, तरी असे क्रांतिकारी बदल अगदीच अशक्य नाहीत. क्वांटम संगणक, ह्या अगदी मूलभूतपणे नवीन असलेल्या तंत्रज्ञानामुलळे हे शक्य होऊ शकते.

क्वांटम संगणकांबद्दलचे संशोधन अजूनही जरी नवजात अवस्थेत असले तरी संगणन जगतात क्वांटम संगणक क्रांती घडवू शकतात, इतके आपल्याला कळले आहे. त्यांच्यात केवळ संगणन जलद करण्याची क्षमताच आहे असे नाही तर आजच्या काळतील संगणकांसाठी शक्य नसलेली, उदाहरणार्थ माहिती कूटबद्धीकरण (एनक्रिप्शन), ह्यांच्याद्वारे शक्य होईल. पण हे करण्यात एक मोठी अडचण आहे. सध्यातरी क्वांटम माहिती प्रक्रिया निरपेक्ष शून्य तपमानाच्या  (-२७.३ डिग्री सेल्सियस) जवळपास असलेल्या तपमानाला करावे लागते. तुलनेदाखल, पृथ्वीवर नैसर्गिकपणे असलेले कमीतकमी तपमान -९३.२ डिग्री सेल्सियस इतकेच आहे.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांनी कक्ष तपमानाला क्वांटम माहिती-विश्लेषण करण्यासाठी एक नवीन रचना प्रस्तावित केली आहे. विशिष्ट सामग्रीचे थर एकावर एक ठेवून केलेल्या राशीच्या स्वरूपात याची संरचना आहे. भारतीय सरकारच्या विज्ञान व तंत्रज्ञान विभागाकडून अर्थसहाय्य लाभलेला हा अभ्यास फिजिकल रिव्ह्यू बी ह्या कालिकात प्रकाशित झाला आहे.  

सध्याच्या संगणकांमध्ये गणनेचे मूलभूत एकक बिट असतात, ज्यांच्या २ स्थिती शक्य असतात, ० किंवा १. क्वांटम संगणनात मूलभूत एकक क्यूबिट असते. क्यूबिट प्रत्यक्षात आणण्याच्या अनेक पद्धतींपैकी एक म्हणजे व्हॅली मटेरियल्स किंवा दरी सामग्रीचा उपयोग. दरी सामग्री हे असे पदार्थ असतात, ज्यामध्ये त्यातील इलेक्ट्रॉनच्या शक्य असलेल्या  शक्तीच्या पातळ्यांचा आकार एखाद्या दरीप्रमाणे असतो. ह्या दरी दोन प्रकारच्या असतात, ज्यामुळे क्यूबिट च्या दोन स्थिती शक्य होतात. 

क्वांटम भौतिकशास्त्रात, कणांची स्थिती, शक्य असलेल्या स्थितींचे रेषीय अधिस्थापन (लिनियर सुपरपोजिशन) असते. हे रेषीय अधिस्थापन जतन झाल्याने किंवा त्यात ससंजकता असल्याने क्यूबिट शक्य होतात. पण कालापरत्वे ससंजकता कमी होत जाते. कक्ष तपमान वाढले की ह्याची शक्यता अधिक असते. क्वांटम संगणनाचे खरे आव्हान, कक्ष तपमानाला क्यूबिट प्रत्यक्षात आणणे हेच आहे.

सदर अभ्यासात संशोधकांनी दोन सैद्धांतिक संच तयार केले ज्यामध्ये कक्ष तपमानालाही क्वांटम ससंजकता राखणे शक्य आहे. सदर दोन संचांसाठी त्यांनी ग्राफीन चे दोन वेगवेगळे प्रकार दरी सामग्री (व्हॅली मटेरियल्स) म्हणून निवडले. ही दरी सामग्री, संशोधकांनी ‘एक्सायटॉन’ नावाच्या कणाचे ससंजग अधिस्थापन (कोहेरंट सुपरपोजिशन) करू शकणाऱ्या सामग्रीवर रचली. ह्या सामग्रीशिवाय एक्सायटॉन दरी स्थितीमध्ये रहात नाहीत. 

“काही अणूंएवढी जाडी असलेले सामग्रीचे थर रचून तयार झालेले हे उपकरण १०० नॅनोमिटर पेक्षाही कमी, म्हणजे माणसाच्या केसाच्या एक हजारांश जाडीचे असते,” असे प्राध्यापक अंशुमन कुमार म्हणतात. ते भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील ऑप्टिक्स ऑफ क्वांटम मटेरियल्स प्रयोगशाळेचे नेतृत्व करतात व ह्या अभ्यासात सहभागी असलेल्या संशोधकांपैकी एक आहेत.

नंतर संशोधकांनी त्यांच्या सैद्धांतिक संचामध्ये विद्युतस्थितिकी व्होल्टतेचा (इलेक्ट्रिस्टॅटिक व्होल्टेज) समावेश केला व दरी स्थतींच्या ससंजगतेचे गणन केले. त्यांनी निष्कर्ष काढला की दोनही संचात कक्ष तपमानाला सुद्धा ससंजित दरी स्थिती असणे शक्य आहे. ह्या स्थिती क्वांटम माहितीसाठी, म्हणजेच क्यूबिट साठी मूलभूत घटक असू शकतात.

सामग्रीची जाडी आणि विद्युतस्थितिकी व्होल्टतेचा उपयोग, वेगवेगळ्या तपमानाला संसजकतेचे प्रमाण निश्चित करण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

“विद्युतस्थितिकी व्होल्टतेचा उपयोग करून क्वांटम स्थिती नियंत्रित करणे शक्य असल्यामुळे, तांत्रिकदृष्ट्या क्वांटम स्थिती प्रत्यक्षात आणणे शक्य आहे,” प्रा. कुमार, हे सैद्धांतिक संशोधन प्रत्यक्षात आणण्याचे महत्त्व अधोरेखित करताना सांगतात. पण अर्थातच आव्हाने आहेत. ते पुढे म्हणतात, “सामग्रीची शुद्धता अत्यंत उच्च असणे आवश्यक आहे, व आकार सूक्ष्म किंवा अतिसूक्ष्म (नॅनोस्केल) असताना, अशी शुद्धता साध्य करणे आव्हानात्मक आहे.”

मोठ्या प्रमाणावर दरी सामग्रीचे उत्पादन पुढील काही वर्षांत शक्य होईल, पण इतकी पातळ सामग्री एकसमान करणे शक्य होण्यासाठी अजून काही वर्षे लागतील.

सक्रीय प्रयोगशीलता व सैद्धांतिक अभ्यास यांच्या सतत सहयोगानेच पुढील प्रगती शक्य होईल. सध्या संशोधक सामग्री प्रत्यक्ष निर्माण करण्यासाठी प्रयोग करत आहेत. सामग्री निर्माणातील तांत्रिक आव्हाने पेलण्यासाठी सामग्रीत आवश्यक ते बदलही ते करून बघत आहेत.