ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ: તેના સિદ્ધાંતો, પડકારો અને ભારતનું નેશનલ ક્વોન્ટમ મિશન

ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ: તેના સિદ્ધાંતો, પડકારો અને ભારતનું નેશનલ ક્વોન્ટમ મિશન

#GS-3 #વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજી #આઈસીટી (ICT) #રાષ્ટ્રીય #ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ

શા માટે ચર્ચામાં છે?

  • ગૂગલ જેવી કંપનીઓ દ્વારા ક્વોન્ટમ એરર કરેક્શન (QEC) ક્ષેત્રે થયેલી નવી પ્રગતિ અને ભારતના નેશનલ ક્વોન્ટમ મિશન (NQM) ને કારણે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ ફરી ચર્ચામાં આવ્યું છે.
  • આ નવી શોધથી ભૂલોથી ભરેલા NISQ કમ્પ્યુટરની જગ્યાએ વધારે મજબૂત અને ભૂલ વગરના ફૉલ્ટ-ટોલરન્ટ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ ઝડપથી બની શકશે.

ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ શું છે?

  • ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ એ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ ના નિયમો પર કામ કરતી નવી ટેકનોલોજી છે, જે સામાન્ય કમ્પ્યુટર ન કરી શકે તેવા અઘરા હિસાબ સરળતાથી કરી શકે છે.
  • જે કામ કરતા સામાન્ય સુપરકમ્પ્યુટરને હજારો વર્ષ લાગે, તે કામ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર માત્ર મિનિટો કે કલાકોમાં પૂરું કરી શકે છે.
  • સામાન્ય કમ્પ્યુટર 0 કે 1 ના બિટ્સ વાપરે છે, જ્યારે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર ક્યુબિટ્સ (qubits) વાપરે છે જે સુપરપોઝિશન ની મદદથી એક સાથે અનેક સ્થિતિમાં રહી શકે છે.
  • સુપરપોઝિશન ના કારણે ક્યુબિટ માત્ર એક જ કિંમત પર અટકતો નથી, પરંતુ જેમ ગોળ ફરતો સિક્કો બંને છાપ અને કાંટો દર્શાવે છે તેમ એકસાથે વિવિધ સ્થિતિમાં રહે છે.
  • એન્ટેન્ગલમેન્ટ ની મદદથી ક્યુબિટ્સ એકબીજા સાથે એવી રીતે જોડાઈ જાય છે કે એકમાં થતો ફેરફાર બીજા પર તરત અસર કરે છે, જેથી પ્રોસેસિંગ ખૂબ ઝડપી બને છે.
  • ક્વોન્ટમ સિસ્ટમ ઇન્ટરફીયરન્સ નો ઉપયોગ કરીને ખોટા જવાબોને દૂર કરે છે અને સાચા જવાબને વધારે સ્પષ્ટ બનાવી બહાર લાવે છે.
  • મેસિવ પેરેલલિઝમ નો ગુણધર્મ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરને એકસાથે અગણિત ઉકેલો તપાસવામાં મદદ કરે છે, જેથી સર્ચ અને શોર્ટિંગ એલ્ગોરિધમ ની ઝડપ ખૂબ વધી જાય છે.
  • સુપરકન્ડક્ટિંગ ક્યુબિટ્સ બનાવવા માટે જોસેફસન જંકશન નો ઉપયોગ થાય છે જેને ખૂબ નીચા તાપમાને ઠંડુ રખાય છે, જેમ કે ગૂગલના વિલો (Willow) પ્રોસેસરમાં કરાયું છે.
  • વર્ષ 2025 નોબેલ પુરસ્કાર ભૌતિકશાસ્ત્રમાં જોન ક્લાર્ક, માઇકલ એચ. ડેવોરેટ અને જોન એમ. માર્ટિનિસ ને ઇલેક્ટ્રિક સરકિટમાં ક્વોન્ટમ અસરો શોધવા માટે આપવામાં આવ્યો હતો.
  • તેમના આ સંશોધનને કારણે સુપરકન્ડક્ટિંગ સરકિટ્સ બનાવવાનો રસ્તો સાફ થયો, જે ભવિષ્યના ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરનો મુખ્ય આધાર બનશે.
  • સામાન્ય સિલિકોન કે જર્મેનિયમના નાના કણોનો ઉપયોગ કરીને ક્વોન્ટમ ડોટ ક્યુબિટ્સ બનાવવામાં આવે છે.
  • વિદ્યુતભારીત અણુઓને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પકડી રાખીને ટ્રેપ્ડ આયન ક્યુબિટ્સ તૈયાર કરવામાં આવે છે.
  • પ્રકાશના કણો એટલે કે ફોટોન્સનો ઉપયોગ કરીને ફોટોનિક ક્યુબિટ્સ તૈયાર કરાય છે.
  • વર્ષ 1998 માં બનેલા સૌપ્રથમ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરમાં NMR ક્યુબિટ્સ નો ઉપયોગ થયો હતો, જે અણુના કેન્દ્રની ઊર્જા પર કામ કરે છે.
  • ક્વોન્ટમ કી ડિસ્ટ્રિબ્યુશન (QKD) એ પ્રકાશના કણો વડે ગુપ્ત કોડ મોકલવાની અત્યંત સુરક્ષિત પદ્ધતિ છે, જેને હેક કરવી અશક્ય છે.
  • જો કોઈ વચમાં આ કોડ ચોરવાનો પ્રયાસ કરે, તો ક્વોન્ટમ કણોની સ્થિતિ બદલાઈ જાય છે અને સિસ્ટમ તરત જ ચેતવણી આપી દે છે.

ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગમાં નોઇઝની સમસ્યા શું છે?

  • હાલના NISQ કમ્પ્યુટર્સ ખૂબ નાજુક છે અને બહારની ગરમી કે કિરણોત્સર્ગના સંપર્કમાં આવતા જ પોતાની સ્થિતિ ગુમાવે છે, જેને ડીકોહરન્સ કહે છે.
  • કમ્પ્યુટરને -273 °C જેટલા નીચા તાપમાને રાખવા છતાં, તેમાં 0.1% થી 1% જેટલી મોટી ભૂલો થવાની શક્યતા રહે છે.
  • ક્યુબિટ્સને નિયંત્રિત કરવા માટે વપરાતા લેસર અને માઇક્રોવેવ કિરણો પણ સંપૂર્ણ ચોક્કસ ન હોવાથી ગણતરીમાં ભૂલો વધે છે.

ક્વોન્ટમ ભૂલો સુધારવાના પ્રયાસો

  • ક્વોન્ટમ એરર કરેક્શન (QEC) પદ્ધતિમાં ભૂલો કરતા અનેક ભૌતિક ક્યુબિટ્સને ભેગા કરીને એક મજબૂત લોજિકલ ક્યુબિટ બનાવવામાં આવે છે.
  • વર્ષ 2024 માં ગૂગલના વિલો પ્રોસેસર પર થયેલા પ્રયોગે સાબિત કર્યું કે ક્યુબિટ્સ વધારવાથી ભૂલો ઘટે છે, જે ભવિષ્ય માટે મોટો વિજય છે.

ક્વોન્ટમ રેસમાં ભારતની વ્યૂહરચના શું છે?

  • ભારતે એપ્રિલ 2023 માં નેશનલ ક્વોન્ટમ મિશન (NQM) શરૂ કર્યું છે, જેથી 2031 સુધીમાં ભારત આ ક્ષેત્રે દુનિયામાં આગળ વધી શકે.
  • આ મિશનનો મુખ્ય હેતુ મધ્યમ કદના ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર બનાવવા અને દેશમાં જ તેના સાધનો તથા સોફ્ટવેર તૈયાર કરવાનો છે.
  • મિશન હેઠળ 50 થી 1,000 ક્યુબિટ ધરાવતા કમ્પ્યુટર, 2,000 કિમી લાંબી ક્વોન્ટમ નેટવર્ક લાઇન અને ચાર થીમેટિક હબ સ્થાપવાનું નક્કી કરાયું છે.
  • ભારતના વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજી વિભાગ (DST) અને QNu લેબ્સે મળીને 1,000 કિમી લાંબી સંચાર લાઇન સફળતાપૂર્વક તૈયાર કરી લીધી છે.

વારંવાર પૂછાતા પ્રશ્નો (FAQs)

  • એપ્રિલ 2023 માં ₹6,003 કરોડ ના બજેટ સાથે શરૂ થયેલ નેશનલ ક્વોન્ટમ મિશન નો લક્ષ્યાંક 2030-31 સુધીમાં ટેકનોલોજી વિકસાવવાનો છે.
  • ક્વોન્ટમ એરર કરેક્શન (QEC) નબળા ક્યુબિટ્સને ભેગા કરી એક મજબૂત ક્યુબિટ બનાવે છે જેથી ગણતરીઓ સાચી થઈ શકે.
  • NISQ એ અત્યારના સમયના ક્વોન્ટમ પ્રોસેસર છે જેમાં ભૂલો અને અવાજ (નોઇઝ) નું પ્રમાણ વધારે હોય છે.
  • ક્વોન્ટમ કી ડિસ્ટ્રિબ્યુશન (QKD) ક્વોન્ટમ નિયમો દ્વારા ગુપ્ત કી મોકલે છે, જેથી હેકિંગનો પ્રયાસ તરત પકડાઈ જાય છે.
  • ભારતે પોતાના 2,000 કિમી ના લક્ષ્યાંકમાંથી 1,000 કિમી લાંબુ સુરક્ષિત ક્વોન્ટમ નેટવર્ક બનાવી લીધું છે.