ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ .

-273 તાપમાને થઈ રહેલો સૂર્યોદય

ફયુચર સાયન્સ-કે.આર.ચૌધરી

આ જના વિજ્ઞાન જગતમાં કંઈક અલગ કરી બતાવતી માઈક્રોસોફ્ટે, ક્વોન્ટમ કોમ્પ્યુટરમાં વિશાળ છલાંગ લગાવી છે. તાજેતરમાં માઈક્રોસોફ્ટે ટોપોલોજિકલ ક્યુબિટ્સ આધારિત વિશ્વનું પ્રથમ ક્વોન્ટમ પ્રોસેસર 'માજોરાના ૧' રજુ કર્યું છે. આ પ્રોસેસર કમ્પ્યુટિંગની દુનિયામાં એક નવો અધ્યાય શરૂ કરે છે, જે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગને સામાન્ય માણસના જીવન સુધી લાવવાના સપનાને નજીક લાવે છે. જેના વિશેનાં સંશોધનો નેચર જર્નલમાં પ્રકાશિત થઈ ચૂક્યા છે. જે દર્શાવે છે કે માઈક્રોસોફ્ટ દ્વારા કરવામાં આવેલ માજોરાના ૧ ક્વોન્ટમ ચીપની રચના, વ્યવહારિક ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ એક પરિવર્તનશીલ છલાંગ મારી રહ્યું છે. સામાન્ય ભાષામાં કહીએ તો, આપણા રોજિંદા કમ્પ્યુટર બિટ્સ (૦ અને ૧) વડે કામ કરે છે. પરંતુ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર 'ક્યુબિટ્સ' વડે કામ કરે છે, જે એક સાથે ૦ અને ૧ બંને હોઈ શકે છે. જેના કારણે અકલ્પનીય ઝડપે ગણતરીઓ કરવાની ક્ષમતા મળે છે. 

કમ્પ્યુટર ટેકનોલોજીના ક્ષેત્રમાં સામાન્ય કમ્પ્યુટર્સ અને ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ વચ્ચેનો તફાવત એક મહત્વપૂર્ણ વિષય છે. સામાન્ય કમ્પ્યુટર્સ આપણા રોજિંદા જીવનનો અભિન્ન ભાગ બની ગયા છે, જ્યારે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ ભવિષ્યની ટેકનોલોજી તરીકે ઉભરી રહ્યા છે. આધુનિક ટેકનોલોજી એટલે કે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ, આવનારા ભવિષ્યમાં વિજ્ઞાન અને સમાજનું ક્રાંતિકારી પરિવર્તન કરવાનું કાર્ય કરશે. જે થોડા સમય પહેલા ખૂબ જ દૂરનું ભવિષ્ય અને અસ્પષ્ટ લાગતું હતું, તે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ ટેકનોલોજી એકાદ દાયકામાં આપણી સામે આવી જશે તેવું લાગી રહ્યું છે. ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ અને આજના ક્લાસિકલ કોમ્પ્યુટર વચ્ચે શું તફાવત છે? માઈક્રોસોફ્ટ દ્વારા કરવામાં આવેલી નવી ક્વોન્ટમ ચીપ શું છે? ભવિષ્ય માટે કેવી રીતે ઉપયોગી બની શકશે? ચાલો કોમ્પ્યુટરની દુનિયામાં એક લટાર મારીએ.

ડિજિટલ દુનિયાના રાજકુમારો

સામાન્ય કમ્પ્યુટરને ક્લાસિકલ કમ્પ્યુટર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, આજે આપણા દૈનિક જીવનમાં લેપટોપ, ડેસ્કટોપ, સ્માર્ટફોન વગેરે જે પણ ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરીએ છીએ તે બધા ક્લાસિકલ કમ્પ્યુટિંગના સિદ્ધાંતો પર આધારિત છે. સામાન્ય કમ્પ્યુટરમાં મુખ્યત્વે ચાર ભાગો હોય છે : ઇનપુટ ડિવાઇસેસ, પ્રોસેસિંગ યુનિટ, મેમરી અને સ્ટોરેજ, અને આઉટપુટ ડિવાઇસેસ. ઇનપુટ ડિવાઇસ જેવા કે કીબોર્ડ, માઉસ અથવા સ્કેનર દ્વારા માહિતી આપવામાં આવે છે. સીપીયુ કમ્પ્યુટરના મગજનું કાર્ય કરે છે, જ્યાં તમામ માહિતીની પ્રક્રિયા થાય છે. મેમરી અને સ્ટોરેજમાં માહિતી સંગ્રહ થાય છે, જેમાં રેમ તાત્કાલિક કામગીરી માટે અને હાર્ડ ડ્રાઇવ કે એસએસડી લાંબા ગાળાના સંગ્રહ માટે ઉપયોગ થાય છે. આઉટપુટ ડિવાઇસેસ માહિતીનું પરિણામ સ્ક્રીન ઉપર અથવા તો પેપર ઉપર છાપીને બતાવે છે.

ક્લાસિકલ કમ્પ્યુટરની કામગીરીના મૂળ સિદ્ધાંતોમાં બાઇનરી સિસ્ટમનું મહત્વપૂર્ણ સ્થાન છે, જેમાં દરેક માહિતી ૦ અને ૧ પર આધારિત હોય છે. અહીં ૦નો અર્થ બંધ અને ૧નો અર્થ ચાલુ હોય છે. કમ્પ્યુટરમાં વિવિધ તર્કસંગત કામગીરી કરવા માટે લોજિક ગેટ્સ (AND, OR, NOT) વપરાય છે, જેના દ્વારા જુદા જુદા ગણિતીય અને લોજિકલ ઓપરેશન્સ કરવામાં આવે છે. કમ્પ્યુટરની કાર્યપદ્ધતિ માટે એલ્ગોરિધમ અને પ્રોગ્રામિંગનો ઉપયોગ થાય છે, જેમાં સ્પષ્ટ સૂચનાઓના ક્રમથી કામ કરવામાં આવે છે. આ સૂચનાઓ વિવિધ પ્રોગ્રામિંગ ભાષાઓમાં લખવામાં આવે છે. આ પ્રણાલી દ્વારા કમ્પ્યુટર શિક્ષણ, વ્યવસાય, આરોગ્ય, મનોરંજન અને સંચાર જેવા વિવિધ ક્ષેત્રોમાં ઉપયોગી બન્યા છે. કુલ મળીને જોવામાં આવે તો, સામાન્ય કમ્પ્યુટર તેની પ્રોસેસિંગ, સ્ટોરેજ અને ઓપરેશનના સિદ્ધાંતોના આધારે ડિજીટલ યુગનું એક મહત્વપૂર્ણ સાધન બની ગયું છે. સામાન્ય કમ્પ્યુટર્સ એક સમયે એક જ કાર્ય કરી શકે છે. તેમની ગણતરીઓ ક્રમિક રીતે થાય છે. આ કમ્પ્યુટર્સને તાપમાન નિયંત્રણની ખાસ જરૂર નથી, જે તેમને રોજિંદા ઉપયોગ માટે અનુકૂળ બનાવે છે. જયારે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સનું તાપમાન જાળવવું  273°C નજીક જાળવવું પડે.

રહસ્યમય ક્વોન્ટમ 

ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગનો ઇતિહાસ ૨૦મી સદીના પ્રારંભમાં શરૂ થયો હતો, જ્યારે વિજ્ઞાનીઓએ કુદરતી કણો અને કણોનાં વર્તનને સમજવા માટે ક્વોન્ટમ મેકેનિક્સના સિદ્ધાંતો વિકસાવવાનું શરૂ કર્યું. ક્વોન્ટમ સિદ્ધાંતોના પાયાના વિજ્ઞાનીઓમાં મેક્સ પ્લાંન્ક અને આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈનનું નામ સૌથી પહેલું આવે છે. ૧૯૦૦માં મેક્સ પ્લાંન્કએ ક્વોન્ટમ થિયરી રજૂ કરી હતી, જેમાં કહ્યું હતું કે ઊર્જા અલગ-અલગ તબક્કાઓમાં વહેંચાયેલી હોય છે. ૧૯૦૫માં આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈનએ ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસરના આધારે પ્રકાશના કણિય સ્વરૂપનો સિદ્ધાંત રજૂ કર્યો હતો. ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગનો મૂળ વિચાર ૧૯૮૧માં નોબેલ પ્રાઈઝ વિજેતા Richard Feynman દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો. તેમણે જણાવ્યું કે પરંપરાગત કમ્પ્યુટરો કુદરતી ક્વોન્ટમ સિસ્ટમોનું સાચું અનુકરણ કરી શકતા નથી.

૧૯૯૪માં પીટર શોરે એક અલ્ગોરિધમ વિકસાવ્યુ, ત્યારે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ માટે એક મહત્ત્વપૂર્ણ પડાવ આવ્યો. જેને Shor's Algorithm  કહેવાય છે. આ અલ્ગોરિધમ પરંપરાગત કમ્પ્યુટરો કરતા બહુ ઝડપી રીતે મહત્ત્વપૂર્ણ પ્રાઈમ ફેક્ટરાઈઝેશન કરી શકે છે. આ શોધ ક્રિપ્ટોગ્રાફી માટે ખૂબ જ મહત્વની સાબિત થઈ, કારણ કે આજના ડિજિટલ સુરક્ષાની ઘણી રીતો પ્રાઈમ નંબરના આધારે કાર્ય કરે છે. ૧૯૯૬માં લોવ ગ્રોવરએ એક અન્ય મહત્વપૂર્ણ ક્વોન્ટમ અલ્ગોરિધમ વિકસાવ્યુ, જેને Grover's Algorithm કહે છે. આ અલ્ગોરિધમ કોઈપણ વિભિન્ન ડેટાબેઝમાં શોધ કરવાની પ્રક્રિયાને ઝડપથી પૂર્ણ કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. ૨૦૦૧માં IBM અને સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સિટીના સંશોધકોએ પ્રથમ વખત એક પ્રાયોગિક ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર બનાવ્યુ, જેને માત્ર ૭ ક્યુબિટ્સથી Shor's Algorithmને સફળતાપૂર્વક ચલાવતું હતું. આ પ્રયોગ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ માટેની એક ઐતિહાસિક ક્ષણ હતી. ૨૦૧૯માં ગૂગલે Quantum Supremacy હાંસલ કરવાનો દાવો કર્યો હતો. તેઓએ એક ૫૩-ક્યુબિટ ધરાવતું ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર Sycamore વિકસાવ્યુ હતું. જેને એક ચોક્કસ કાર્ય પૂર્ણ કરવામાં માત્ર ૨૦૦ સેકંડ લાગી હતી. જે ગણતરી સામાન્ય સુપરકમ્પ્યુટર લગભગ ૧૦,૦૦૦ વર્ષમાં કરી શક્યું ન હોત.

શૂન્ય અને એકની પેલે પાર 

ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ એ આધુનિક વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજીની દુનિયામાં એક મહાત્મ્યપૂર્ણ ક્રાંતિરૂપ સાધન છે. સામાન્ય કમ્પ્યુટરો બાઇનરી સિસ્ટમ પર આધારિત હોય છે, જેમાં માહિતી ૦ અથવા ૧ બિટના સ્વરૂપમાં પ્રોસેસ થાય છે. જ્યારે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરો એક નવી દિશામાં કામ કરે છે, જેમાં ક્યુબિટ્સ (Quantum Bits)નો ઉપયોગ થાય છે. ક્યુબિટ્સ અમર્યાદિત સંભાવનાઓ સાથે કામ કરી શકે છે એક જ સમયે ૦ અને ૧ બંને સ્થિતિમાં રહી શકે છે, જેને સુપરપોઝિશન (Superposition)  કહેવામાં આવે છે. તેના કારણે, ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરો પરંપરાગત કમ્પ્યુટરો કરતાં અનુક્રમણિક રીતે નહીં, પરંતુ સમકક્ષ રીતે અનેક સંભાવનાઓનું વિશ્લેષણ કરી શકે છે, જે તેમને ખાસ કરીને મોટા ડેટા સેટ્સ અને જટિલ ગણિતીય સમસ્યાઓ હલ કરવામાં અસાધારણ રીતે ઝડપી બનાવે છે.ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સને અત્યંત ઠંડા તાપમાન (-૨૭૩ભ નજીક)ની જરૂર પડે છે. જેમાં ક્વોન્ટમ એરર કરેક્શન જેવી જટિલ તકનીકોનો ઉપયોગ કરવો પડે છે. જેથી કરીને ગણતરીઓમાં ભૂલ ન થાય અને કોમ્પ્યુટર ખૂબ જ ચોકસાઈ પૂર્ણ પરિણામ આપી શકે.

ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગનો બીજો મહત્વપૂર્ણ તત્વ છે એન્ટેંગલમેન્ટ (Entanglement). જ્યારે બે ક્યુબિટ્સ એકબીજા સાથે એન્ટેંગલ થાય છે, ત્યારે એક ક્યુબિટની સ્થિતિ એકબીજા પર સીધી અસર કરે છે, ભલે તેઓ વિશ્વના કોઈ પણ ખૂણે કેમ ન હોય. આ તત્વના કારણે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરોમાં માહિતી ટ્રાન્સફર અને પ્રોસેસિંગ વધુ ઝડપી અને સુવ્યવસ્થિત બની જાય છે. આ સિદ્ધાંતોના કારણે, ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરોએ એવી સમસ્યાઓ હલ કરી શકે છે, જે આજની તારીખે સામાન્ય કમ્પ્યુટરો માટે અસંભવ અથવા અત્યંત સમય માગી લેતી હોય. આ ટેકનોલોજીનું સૌથી મોટો ક્રાંતિકારી ઉપયોગ ગંભીર સમસ્યાઓ માટે થઈ શકે છે. જેમ કે ક્રિપ્ટોગ્રાફી તોડવી, નવી દવાઓ શોધવી, કેમિકલ પ્રક્રિયાઓનું અનુમાન લગાવવું, ક્લાઇમેટ મોડલિંગ, અને આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સના વિકાસમાં અમૂલ્ય યોગદાન આપી શકે છે. ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સ અને મશીન લર્નિંગ ક્ષેત્રમાં પણ ક્રાંતિ લાવી શકે છે. 

માઈક્રોસોફ્ટનો મૅજિક 

માઈક્રોસોફ્ટે બનાવેલું ટોપોલોજિકલ ક્યુબિટ્સ આધારિત વિશ્વનું પ્રથમ ક્વોન્ટમ પ્રોસેસર 'માજોરાના ૧' છે.  માઈક્રોસોફ્ટે ટોપોલોજિકલ ક્યુબિટ્સની એક નવી પદ્ધતિ વિકસાવી છે, જેમાં ક્વોન્ટમ માહિતી 'પેરિટી' દ્વારા સંગ્રહિત થાય છે - એટલે કે તારમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા સમ છે કે વિષમ. માજોરાના ૧ની વિશેષતાઓ જોઈએ તો, ૧. ટોપોકન્ડક્ટર તકનીક : માઈક્રોસોફ્ટે ઇન્ડિયમ આર્સેનાઇડ (સેમિકન્ડક્ટર) અને એલ્યુમિનિયમ (સુપરકન્ડક્ટર) જેવા પદાર્થોના સંયોજનથી ટોપોકન્ડક્ટર બનાવ્યા છે. ૨. એક ચિપ પર લાખો ક્યુબિટ્સ : આ તકનીક એક જ ચિપ પર ૧૦ લાખ ક્યુબિટ્સ સુધી વિસ્તારવા માટે ડિઝાઇન કરાયેલી છે, જે અત્યાર સુધીના કોઈપણ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરની તુલનામાં ઘણી વધારે ક્ષમતા છે. ૩. નાનું, ઝડપી અને ડિજિટલ નિયંત્રિત : આ ક્યુબિટ્સ કદમાં નાના છે, ઝડપી રીતે કામ કરે છે અને ડિજિટલ સિગ્નલ દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે.

માઈક્રોસોફ્ટનો ડિજિટલ નિયંત્રણ અભિગમ આ સમસ્યાનો ઉકેલ આપે છે. તેઓ ક્વોન્ટમ એરર કરેક્શન (QEC) સરળ ડિજિટલ પલ્સ દ્વારા કરે છે. DARPA, , અમેરિકાની પ્રતિષ્ઠિત સંરક્ષણ સંશોધન સંસ્થા, માઈક્રોસોફ્ટને તેમનાUS2QC પ્રોગ્રામના અંતિમ તબક્કા માટે પસંદ કરી છે. આ પ્રોગ્રામ અંતર્ગત, માઈક્રોસોફ્ટ ફક્ત થોડાં વર્ષોમાં ટોપોલોજિકલ ક્યુબિટ્સ પર આધારિત ફોલ્ટ-ટોલરન્ટ પ્રોટોટાઇપ બનાવવાનો ઇરાદો ધરાવે છે. માઈક્રોસોફ્ટે અઢાર મહિના પહેલા ક્વોન્ટમ સુપરકમ્પ્યુટર માટેનો રોડમેપ રજૂ કર્ર્યો હતો. આજે તેઓ વિશ્વના પ્રથમ ટોપોલોજિકલ ક્યુબિટનું પ્રદર્શન કરીને બીજા સીમાચિહ્ન  પર પહોંચ્યા છે. તેઓ માને છે કે માઈક્રોેસોફ્ટનું આર્કિટેક્ચર સ્કેલેબલ છે, અને  DARPA સાથેના નવા કરાર તેમના લક્ષ્ય તરફની પ્રતિબદ્ધતા દર્શાવે છે : એક મશીન બનાવવું જે વૈજ્ઞાનિક શોધને ચલાવી શકે અને મહત્વની સમસ્યાઓનો ઉકેલ લાવી શકે. આમ, માઈક્રોસોફ્ટના માજોરાના ૧ ક્વોન્ટમ પ્રોસેસરે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગના ક્ષેત્રમાં એક નવો અધ્યાય શરૂ કર્યો છે, જે ભવિષ્યમાં માનવજાતને અનેક રીતે ફાયદો કરશે.