क्वांटम कंप्यूटिंग क्या है?
What is Quantum Computing ?
क्वांटम कंप्यूटिंग एक प्रकार की कंप्यूटिंग है जो सूचना को संसाधित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का उपयोग करती है। यह शास्त्रीय कंप्यूटिंग के लिए बहुत जटिल समस्याओं को हल करने के लिए उप-परमाणु कणों, जैसे इलेक्ट्रॉनों या फोटॉन का उपयोग करता है।
क्वांटम कंप्यूटिंग एक बहु-विषयक क्षेत्र है जिसमें कंप्यूटर विज्ञान, भौतिकी और गणित के पहलू शामिल हैं जो शास्त्रीय कंप्यूटरों की तुलना में जटिल समस्याओं को तेजी से हल करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करते हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र में हार्डवेयर अनुसंधान और अनुप्रयोग विकास शामिल है। क्वांटम कंप्यूटर सुपरपोज़िशन और क्वांटम हस्तक्षेप जैसे क्वांटम यांत्रिक प्रभावों का लाभ उठाकर शास्त्रीय कंप्यूटरों की तुलना में कुछ प्रकार की समस्याओं को तेज़ी से हल करने में सक्षम हैं। कुछ अनुप्रयोग जहां क्वांटम कंप्यूटर इतनी गति प्रदान कर सकते हैं उनमें मशीन लर्निंग (एमएल), अनुकूलन और भौतिक प्रणालियों का सिमुलेशन शामिल हैं। अंतिम उपयोग के मामले वित्त में पोर्टफोलियो अनुकूलन या रासायनिक प्रणालियों का अनुकरण हो सकते हैं, ऐसी समस्याओं को हल करना जो वर्तमान में बाजार के सबसे शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों के लिए भी असंभव है।
क्वांटम कंप्यूटिंग का लाभ क्या है?
वर्तमान में, कोई भी क्वांटम कंप्यूटर शास्त्रीय कंप्यूटर की तुलना में किसी उपयोगी कार्य को तेज, सस्ता या अधिक कुशलता से नहीं कर सकता है। क्वांटम लाभ वह सीमा है जहां हमने एक क्वांटम सिस्टम बनाया है जो ऐसे ऑपरेशन कर सकता है जो सर्वोत्तम संभव शास्त्रीय कंप्यूटर किसी भी उचित समय में अनुकरण नहीं कर सकता है।
क्वांटम यांत्रिकी क्या है?
क्वांटम यांत्रिकी भौतिकी का वह क्षेत्र है जो सूक्ष्म स्तर पर कणों के व्यवहार का अध्ययन करता है। उपपरमाण्विक स्तर पर, वे समीकरण जो यह बताते हैं कि कण कैसे व्यवहार करते हैं, उन समीकरणों से भिन्न हैं जो हमारे आस-पास की स्थूल दुनिया का वर्णन करते हैं। क्वांटम कंप्यूटर पूरी तरह से नए तरीके से गणना करने के लिए इन व्यवहारों का लाभ उठाते हैं।
क्वबिट क्या है?
क्वांटम बिट्स या क्विबिट्स को क्वांटम कणों द्वारा दर्शाया जाता है। नियंत्रण उपकरणों द्वारा क्वैब का हेरफेर क्वांटम कंप्यूटर की प्रसंस्करण शक्ति के मूल में है। क्वांटम कंप्यूटर में क्यूबिट शास्त्रीय कंप्यूटर में बिट्स के समान हैं। इसके मूल में, एक क्लासिकल मशीन का प्रोसेसर बिट्स में हेरफेर करके अपना सारा काम करता है। इसी तरह क्वांटम प्रोसेसर अपना सारा काम क्वैब को प्रोसेस करके करता है।
क्वैबिट शास्त्रीय बिट्स से किस प्रकार भिन्न हैं?
शास्त्रीय कंप्यूटिंग में, बिट एक इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल है जो या तो चालू या बंद होता है। इस प्रकार शास्त्रीय बिट का मान एक (चालू) या शून्य (बंद) हो सकता है। हालाँकि, चूँकि क्वबिट क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित है, इसलिए इसे राज्यों के सुपरपोज़िशन में रखा जा सकता है।
क्वांटम कंप्यूटिंग के सिद्धांत क्या हैं?
क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम सिद्धांतों का उपयोग करके काम करता है। क्वांटम सिद्धांतों को पूरी तरह से समझने के लिए शब्दों के एक नए शब्दकोष की आवश्यकता होती है, ऐसे शब्द जिनमें सुपरपोज़िशन, उलझाव और डीकोहेरेंस शामिल हैं। आइए नीचे इन सिद्धांतों को समझें।
Superposition
सुपरपोज़िशन में कहा गया है कि, शास्त्रीय भौतिकी में तरंगों की तरह, आप दो या दो से अधिक क्वांटम अवस्थाएँ जोड़ सकते हैं और परिणाम एक और वैध क्वांटम अवस्था होगी। इसके विपरीत, आप प्रत्येक क्वांटम अवस्था को दो या दो से अधिक अन्य विशिष्ट अवस्थाओं के योग के रूप में भी प्रस्तुत कर सकते हैं। क्वैबिट का यह सुपरपोजिशन क्वांटम कंप्यूटरों को उनकी अंतर्निहित समानता प्रदान करता है, जिससे उन्हें एक साथ लाखों ऑपरेशनों को संसाधित करने की अनुमति मिलती है।
नाज़ुक हालत
क्वांटम उलझाव तब होता है जब दो प्रणालियाँ इतनी निकटता से जुड़ती हैं कि एक के बारे में ज्ञान आपको दूसरे के बारे में तत्काल ज्ञान देता है, चाहे वे कितनी भी दूर क्यों न हों। क्वांटम प्रोसेसर एक कण को दूसरे कण को मापकर उसके बारे में निष्कर्ष निकाल सकते हैं। उदाहरण के लिए, वे यह निर्धारित कर सकते हैं कि यदि एक क्यूब ऊपर की ओर घूमता है, तो दूसरा हमेशा नीचे की ओर घूमेगा, और इसके विपरीत। क्वांटम उलझाव क्वांटम कंप्यूटरों को जटिल समस्याओं को तेजी से हल करने की अनुमति देता है।
जब एक क्वांटम स्थिति मापी जाती है, तो तरंग फ़ंक्शन ढह जाता है और आप स्थिति को शून्य या एक के रूप में मापते हैं। इस ज्ञात या नियतिवादी स्थिति में, क्विबिट एक शास्त्रीय बिट के रूप में कार्य करता है। एन्टैंगलमेंट क्वैबिट की अपनी स्थिति को अन्य क्वैबिट के साथ सहसंबंधित करने की क्षमता है।
असम्बद्धता :
डेकोहेरेंस एक क्वबिट में क्वांटम अवस्था का नुकसान है। विकिरण जैसे पर्यावरणीय कारक, क्वैबिट की क्वांटम स्थिति को ढहने का कारण बन सकते हैं। क्वांटम कंप्यूटर के निर्माण में एक बड़ी इंजीनियरिंग चुनौती विभिन्न विशेषताओं को डिजाइन करना है जो राज्य के विघटन में देरी करने का प्रयास करती है, जैसे विशेष संरचनाओं का निर्माण जो बाहरी क्षेत्रों से क्वैबिट को बचाती है।
क्वांटम कंप्यूटर के घटक क्या हैं?
क्वांटम कंप्यूटर में शास्त्रीय कंप्यूटर के समान हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर होते हैं।
- मेमोरी, जो मशीन की वर्तमान स्थिति को रखती है
- प्रोसेसर, जो मशीन की स्थिति पर प्राथमिक संचालन करता है
- इनपुट/आउटपुट, जो प्रारंभिक स्थिति सेट करने और गणना की अंतिम स्थिति निकालने की अनुमति देता है
क्वांटम हार्डवेयर
क्वांटम हार्डवेयर के तीन मुख्य घटक होते हैं।
क्वांटम डेटा प्लेन
क्वांटम डेटा प्लेन क्वांटम कंप्यूटर का मूल है और इसमें भौतिक क्वैबिट और उन्हें जगह पर रखने के लिए आवश्यक संरचनाएं शामिल हैं।
नियंत्रण और माप विमान
नियंत्रण और माप विमान डिजिटल सिग्नल को एनालॉग या तरंग नियंत्रण सिग्नल में परिवर्तित करता है। ये एनालॉग सिग्नल क्वांटम डेटा प्लेन में क्वैबिट पर ऑपरेशन करते हैं।
प्रोसेसर प्लेन और होस्ट प्रोसेसर को नियंत्रित करें
नियंत्रण प्रोसेसर विमान क्वांटम एल्गोरिदम या संचालन के अनुक्रम को लागू करता है। होस्ट प्रोसेसर क्वांटम सॉफ्टवेयर के साथ इंटरैक्ट करता है और नियंत्रण और माप विमान को एक डिजिटल सिग्नल या शास्त्रीय बिट्स अनुक्रम प्रदान करता है।
क्वांटम सॉफ्टवेयर :
क्वांटम सॉफ्टवेयर क्वांटम सर्किट का उपयोग करके अद्वितीय क्वांटम एल्गोरिदम लागू करता है। क्वांटम सर्किट एक कंप्यूटिंग रूटीन है जो अंतर्निहित क्वैबिट पर तार्किक क्वांटम संचालन की एक श्रृंखला को परिभाषित करता है। क्वांटम एल्गोरिदम को कोड करने के लिए डेवलपर्स विभिन्न सॉफ्टवेयर डेवलपमेंट टूल्स और लाइब्रेरीज़ का उपयोग कर सकते हैं।
क्वांटम प्रौद्योगिकी के प्रकार क्या हैं?
किसी ने भी दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटर बनाने का सबसे अच्छा तरीका नहीं दिखाया है, और कई कंपनियां और अनुसंधान समूह विभिन्न प्रकार के क्वैबिट की जांच कर रहे हैं। हम नीचे इनमें से कुछ क्वबिट तकनीकों का संक्षिप्त उदाहरण देते हैं।
गेट-आधारित आयन ट्रैप प्रोसेसर :
गेट-आधारित क्वांटम कंप्यूटर एक उपकरण है जो इनपुट डेटा लेता है और इसे पूर्वनिर्धारित एकात्मक ऑपरेशन के अनुसार बदल देता है। ऑपरेशन को आम तौर पर क्वांटम सर्किट द्वारा दर्शाया जाता है और यह पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स में गेट संचालन के अनुरूप होता है। हालाँकि, क्वांटम गेट इलेक्ट्रॉनिक गेट से बिल्कुल अलग हैं।
ट्रैप्ड आयन क्वांटम कंप्यूटर आयन कहे जाने वाले आवेशित परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं का उपयोग करके क्वैबिट लागू करते हैं। आयनों को विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का उपयोग करके माइक्रोफैब्रिकेटेड जाल के ऊपर सीमित और निलंबित कर दिया जाता है। ट्रैप्ड-आयन आधारित सिस्टम आयन की इलेक्ट्रॉनिक स्थिति में हेरफेर करने के लिए लेजर का उपयोग करके क्वांटम गेट्स लागू करते हैं। ट्रैप्ड आयन क्वैबिट, क्वैबिट को कृत्रिम रूप से निर्मित करने के बजाय, प्रकृति से आने वाले परमाणुओं का उपयोग करते हैं।
गेट-आधारित सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर :
अतिचालकता भौतिक गुणों का एक समूह है जिसे आप पारा और हीलियम जैसी कुछ सामग्रियों में बहुत कम तापमान पर देख सकते हैं। इन सामग्रियों में, आप एक विशिष्ट क्रांतिक तापमान देख सकते हैं जिसके नीचे विद्युत प्रतिरोध शून्य होता है और चुंबकीय प्रवाह क्षेत्र निष्कासित हो जाते हैं। अतिचालक तार के एक लूप के माध्यम से विद्युत धारा बिना किसी शक्ति स्रोत के अनिश्चित काल तक बनी रह सकती है।
सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटिंग सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में क्वांटम कंप्यूटर का कार्यान्वयन है। सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रिक सर्किट के साथ बनाए जाते हैं जो क्रायोजेनिक तापमान पर काम करते हैं।
फोटोनिक प्रोसेसर :
क्वांटम फोटोनिक प्रोसेसर एक उपकरण है जो गणना के लिए प्रकाश में हेरफेर करता है। फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम प्रकाश स्रोतों का उपयोग करते हैं जो निचोड़ा हुआ प्रकाश दालों का उत्सर्जन करते हैं, क्वैबिट समकक्षों के साथ जो निरंतर ऑपरेटर के मोड, जैसे स्थिति या गति के अनुरूप होते हैं।
तटस्थ परमाणु प्रोसेसर :
न्यूट्रल एटम क्वबिट तकनीक ट्रैप्ड आयन तकनीक के समान है। हालाँकि, यह क्वबिट को फँसाने और उसे स्थिति में रखने के लिए विद्युत चुम्बकीय बलों के बजाय प्रकाश का उपयोग करता है। परमाणु चार्ज नहीं होते हैं और सर्किट कमरे के तापमान पर काम कर सकते हैं
रिडबर्ग परमाणु प्रोसेसर :
रिडबर्ग परमाणु एक उत्तेजित परमाणु है जिसमें एक या अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं जो औसतन नाभिक से दूर होते हैं। रिडबर्ग परमाणुओं में कई अजीब गुण हैं जिनमें विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अतिरंजित प्रतिक्रिया और लंबा जीवन शामिल है। जब क्वैबिट के रूप में उपयोग किया जाता है, तो वे मजबूत और नियंत्रणीय परमाणु इंटरैक्शन प्रदान करते हैं जिन्हें आप विभिन्न राज्यों का चयन करके ट्यून कर सकते हैं।
क्वांटम एनीलर :
क्वांटम एनीलिंग क्वांटम प्रणाली के क्वैबिट को पूर्ण ऊर्जा न्यूनतम में रखने के लिए एक भौतिक प्रक्रिया का उपयोग करता है। वहां से, हार्डवेयर धीरे-धीरे सिस्टम के कॉन्फ़िगरेशन को बदल देता है ताकि इसका ऊर्जा परिदृश्य उस समस्या को प्रतिबिंबित कर सके जिसे हल करने की आवश्यकता है। क्वांटम एनीलर का लाभ यह है कि गेट-आधारित सिस्टम में उपलब्ध क्विबिट की संख्या उससे कहीं अधिक बड़ी हो सकती है। हालाँकि, उनका उपयोग केवल विशिष्ट मामलों तक ही सीमित है।
कंपनियां क्वांटम कंप्यूटिंग का उपयोग कैसे करती हैं?
क्वांटम कंप्यूटिंग उद्योगों में क्रांति ला सकती है। हम नीचे कुछ उदाहरण उपयोग के मामले देते हैं:
ML (Machine Learning):
मशीन लर्निंग (एमएल) कंप्यूटर को बेहतर भविष्यवाणियां और निर्णय लेने में मदद करने के लिए बड़ी मात्रा में डेटा का विश्लेषण करने की प्रक्रिया है। क्वांटम कंप्यूटिंग में अनुसंधान सूचना प्रसंस्करण की भौतिक सीमाओं का अध्ययन करता है और मौलिक भौतिकी में नई जमीन तोड़ रहा है। यह शोध रसायन विज्ञान, अनुकूलन और आणविक सिमुलेशन जैसे विज्ञान और उद्योग के कई क्षेत्रों में प्रगति की ओर ले जाता है। यह बाजार की गतिविधियों की भविष्यवाणी करने और परिचालन में सुधार के लिए विनिर्माण के लिए वित्तीय सेवाओं के लिए रुचि का एक बढ़ता हुआ क्षेत्र भी है।
अनुकूलन :
क्वांटम कंप्यूटिंग अनुसंधान और विकास, आपूर्ति-श्रृंखला अनुकूलन और उत्पादन में सुधार कर सकती है। उदाहरण के लिए, आप जटिल प्रक्रियाओं में पथ नियोजsन जैसे तत्वों को अनुकूलित करके विनिर्माण प्रक्रिया-संबंधी लागत को कम करने और चक्र समय को कम करने के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग लागू कर सकते हैं। एक अन्य अनुप्रयोग ऋण पोर्टफोलियो का क्वांटम अनुकूलन है ताकि ऋणदाता पूंजी मुक्त कर सकें, ब्याज दरें कम कर सकें और अपनी पेशकशों में सुधार कर सकें।
सिमुलेशन :
सिस्टम का अनुकरण करने के लिए आवश्यक कम्प्यूटेशनल प्रयास दवा के अणुओं और सामग्रियों की जटिलता के साथ तेजी से बढ़ता है। सन्निकटन विधियों का उपयोग करते हुए भी, वर्तमान सुपर कंप्यूटर सटीकता के उस स्तर को प्राप्त नहीं कर सकते हैं जिसकी ये सिमुलेशन मांग करते हैं। क्वांटम गणना में रसायन विज्ञान में आने वाली कुछ सबसे चुनौतीपूर्ण कम्प्यूटेशनल समस्याओं को हल करने की क्षमता है, जो वैज्ञानिक समुदाय को रासायनिक सिमुलेशन करने की अनुमति देती है जो आज कठिन हैं। उदाहरण के लिए, पास्कल ने रसायन विज्ञान सिमुलेशन चलाने के लिए अपना क्यूबेक कम्प्यूटेशनल सॉफ़्टवेयर बनाया। क्यूबेक क्वांटम कम्प्यूटेशनल कार्यों को चलाने के लिए आवश्यक भारी भारोत्तोलन को कंप्यूटिंग बुनियादी ढांचे के स्वचालित प्रावधान से लेकर पूर्व और बाद की प्रसंस्करण शास्त्रीय गणना चलाने और त्रुटि शमन कार्यों को निष्पादित करने के लिए स्वचालित करता है।
आप क्वांटम कंप्यूटिंग से कैसे शुरुआत कर सकते हैं?
यदि आप क्वांटम कंप्यूटिंग आज़माना चाहते हैं, तो आप अपनी स्थानीय मशीन पर क्वांटम हार्डवेयर एमुलेटर के साथ शुरुआत कर सकते हैं। एमुलेटर नियमित सॉफ़्टवेयर हैं जो शास्त्रीय कंप्यूटर पर क्वांटम व्यवहार का अनुकरण करते हैं। वे पूर्वानुमानित हैं और आपको क्वांटम अवस्थाएँ देखने की अनुमति देते हैं। यदि आप क्वांटम हार्डवेयर समय में निवेश करने से पहले अपने एल्गोरिदम का परीक्षण करना चाहते हैं तो वे उपयोगी हैं। हालाँकि, वे वास्तविक क्वांटम व्यवहार को दोबारा नहीं बना सकते।
- क्वांटम सूचना में स्नातक कार्यक्रम ले सकते हैं
- कंप्यूटर इंजीनियरिंग, गणित, भौतिकी और खगोल विज्ञान, रसायन विज्ञान, कंप्यूटर विज्ञान, या अनुप्रयुक्त गणित में मास्टर ऑफ साइंस का विकल्प चुन सकते हैं
- क्वांटम प्रोग्रामिंग के बुनियादी तत्वों से परिचित होना चाहिए, जैसे कि क्वैबिट, गेट्स, सर्किट और माप
- क्वांटम कंप्यूटिंग पाठ्यक्रम ऑनलाइन सीख सकते हैं
आप महंगे हार्डवेयर में निवेश किए बिना एक सच्चे क्वांटम कंप्यूटर पर कोड करने के लिए क्लाउड क्वांटम कंप्यूटिंग सेवा का भी उपयोग कर सकते हैं।
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