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क्वांटम कम्प्यूटर

Jul 16, 2011 13:22 IST

    क्वांटम कम्प्यूटर

    Jagranjosh
    भविष्य के कम्प्यूटर

    सन् 2030 अथवा उसके आसपास आपके डेस्क पर रखा हुआ कम्प्यूटर ट्रांजिस्टरों और चिपों के स्थान पर द्रव से भरा हो सकता है। यह क्वांटम कम्प्यूटर होगा। यह भौतिक नियमों के द्वारा संचालित नहीं होगा। आपका यह कम्प्यूटर अपने ऑपरेशंस के लिए क्वांटम यांत्रिकी (Quantum Mechanics) का प्रयोग करेगा। क्वांटम यांत्रिकी ही टेलीपोर्टेशन (किसी वस्तु को एक स्थान से दूसरे स्थान पर बिना स्थान परिवर्तन के पहुँचाना) और सामानांतर ब्रह्मड (Parallel universe) जैसी सैद्धांतिक संकल्पनाओं का आधार है।

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    आपका यह क्वांटम कम्प्यूटर एक डाटा रॉकेट होगा। यह शायद पेन्टियम III पर्सनल कम्प्यूटर से 1 अरब गुना ज्यादा तेजी से गणना करने में सक्षम होगा। यह सन् 2030 में पलक झपकते ही पूरे इंटरनेट को खँगाल सकने में सक्षम होगा और सबसे एडवांस सिक्योरिटी कोड को आसानी से तोड़ देगा। यह कोई साइंस फिक्शन नहीं है बल्कि आने वाले कुछ वर्षों में सच्चाई की दुनिया में संभव होने वाला है।


    क्वांटम कम्प्यूटर, कम्प्यूटर चिपों के स्थान पर परमाणुओं का प्रयोग गणना के लिए करते हैं।प्रारंभिक क्वांटम कम्प्यूटर काफी पुरातन, खर्चीले और परीक्षण के स्तर पर ही हैं। किंतु उनके निर्माण ने सिद्ध कर दिया है कि आने वाला समय इन्हीं कम्प्यूटरों का है। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और ऑक्सफोर्ड यूनीवर्सिटी की प्रयोगशालाओं में क्वांटम कम्प्यूटर से सम्बंधित प्रोजेक्टों पर जोर-शोर से कार्य जारी है। अमेरिकी सरकार ने लॉस अलामॉस नेशनल प्रयोगशाला में क्वांटम कम्प्यूटिंग लैब की स्थापना की है।


    मगर यहां पर एक समस्या है कि सैद्धांतिक और व्यावहारिक दृष्टिकोण से क्वांटम कम्प्यूटिंग काफी कठिन कार्य है। व्यावहारिक रूप से ऐसी परिस्थिति पैदा करना जहाँ परमाणु गणना कर सकें और उनसे परिणाम प्राप्त हो, यह वैज्ञानिकों के लिए बड़ी चुनौती है। सिद्धांत के दृष्टिïकोण से क्वांटम यांत्रिकी उन क्षेत्रों में डुबकी लगाती है जो सोचने के दायरे से लगभग बाहर हैं। उदाहरण के लिए यह संभव है कि क्वांटम कम्प्यूटर के पास अनंत संख्याओं वाले समानांतर ब्रह्मडों के लिए अनंत संख्या के सही उत्तर हों। आप जिस ब्रह्मïांड में इस समय हैं  क्वांटम कम्प्यूटर उसके लिए सही उत्तर दे सकता है। दुनिया के सबसे विख्यात क्वांटम कम्प्यूटिंग वैज्ञानिक आई बी एम के चाल्र्स बेनेट का इस बारे में कहना है कि इन चीजों को स्वीकार करने के लिए काफी साहस की जरूरत है। यदि आप इन चीजों में विश्वास करते हैं तो आपको कई विचित्र चीजों पर विश्वास करना होगा।


    इसका परिणाम है कि व्यावहारिक क्वांटम कम्प्यूटिंग अभी भी दशकों दूर है। वर्तमान में वैज्ञानिकों के क्वांटम कम्प्यूटिंग प्रयास उसी तरह के हैं जैसे विद्युत के सिद्धांतों के परीक्षण के लिए बेंजामिन फ्रैंकलीन ने कड़कती बिजली में पतंग उड़ाई थी। प्रयोगशालाओं में कार्यरत् वैज्ञानिकों के लिए अगला चरण इस अविश्वसनीय शक्ति को नियंत्रित और उपयोग करने का है।


    क्वांटम कम्प्यूटर के मूलभूत सिद्धांत
    किसी गैर वैज्ञानिक व्यक्ति के लिए क्वांटम कम्प्यूटिंग की कार्य-प्रणाली को समझना काफी कठिन कार्य है। क्वांटम कम्प्यूटिंग का ख्याल वैज्ञानिकों के दिमाग में उस वक्त आया जब उन्होंने समझा कि परमाणु प्राकृतिक रूप से सूक्ष्म कैल्कुलेटर हैं। इस बारे में एमआईटी के नील गेर्शेनफेल्ड का कहना है कि ''प्रकृति को गणना करना मालूम है। गेर्शेनफेल्ड ने आई बी एम के आइज़क चुआँग के साथ मिलकर अभी तक के सबसे सफल क्वांटम कम्प्यूटर का निर्माण किया है।


    परमाणुओं का एक प्राकृतिक चक्रण (Spin) अथवा ओरिएन्टेशन (orientation) होता है, जिस तरह से किसी दिक् सूचक (compass) में सुई का एक ओरिएन्टेशन होता है। यह चक्रण अप (ऊपर) या डाउन (नीचे) हो सकता है। यह डिजीटल तकनीक के साथ खूब मेल खाता है, जो प्रत्येक चीज को 1 या 0 की श्रेणी में निरूपित करती है। किसी परमाणु में ऊपर की ओर निर्देशित करने वाला चक्रण 1 हो सकता है; नीचे की ओर निर्देशित करने वाला चक्रण 0 हो सकता है। चक्रण को ऊपर या नीचे करना किसी सूक्ष्म ट्रांजिस्टर पर स्विच को ऑन या ऑफ करने के समान है (अथवा 1 और 0 के बीच)। एक परमाणु जो नँगी आँखों से दिखाई नहीं देता है, जब तक आप उसका मापन करें एक ही समय में ऊपर या नीचे दोनों जगह हो सकता है। यह अत्यन्त ही विस्मयकारी है। यह क्वांटम यांत्रिकी का हिस्सा है जो आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत की तरह नियमों का समुच्चय है- जिससे ब्रह्मïांड की कार्य प्रणाली समझी जा सकती है। क्वांटम यांत्रिकी के द्वारा सूक्ष्म अर्थात् अणु, परमाणु, क्वार्क इत्यादि के संसार को समझा जा सकता है। इसके नियम इतने विचित्र हैं कि उनको समझना आसान नहीं है। लेकिन उन्हें बार-बार सिद्ध किया जा चुका है। क्योंकि किसी परमाणु का चक्रण एक ही समय में ऊपर या नीचे दोनों हो सकता है, इसलिए ये पारम्परिक कम्प्यूटर के एक बिट के बराबर नहीं होता है। यह कुछ अलग है। वैज्ञानिक इसे क्यूबिट (Qubit) कहते हैं। यदि आप क्यूबिट्स के एक समूह को एक साथ रखें तो वे वर्तमान कम्प्यूटरों की तरह एकरेखीय (linear) गणनाएं नहीं करते हैं। वे एक ही समय में सभी संभावित गणनाएँ करते हैं। एक तरह से वे सभी संभावित उत्तरों की छानबीन करते हैं। क्यूबिट्स के मापन का कार्य गणना प्रक्रिया को रोक देता है और उन्हें एक विशेष उत्तर को चुनने पर मजबूर करता है।


    चालीस क्यूबिट्स वाले क्वांटम कम्प्यूटर की गणना शक्ति वर्तमान के सुपर कम्प्यूटरों के बराबर होगी। वर्तमान का कोई भी सुपर कम्प्यूटर विश्व की सभी फोन बुकों के डाटाबेस से एक नम्बर ढूंढने में एक माह का वक्त लेगा, जबकि भविष्य के क्वांटम कम्प्यूटर इस कार्य को मात्र 27 मिनट में सम्पन्न कर देंगे।


    विभिन्न प्रकार के चक्रण

    क्वांटम यांत्रिकी का एक अन्य पहलू कम्प्यूटिंग के लिए काफी महत्वपूर्ण है। इसे इंटेंगलमेंट (Entanglement) कहते हैं। दो परमाणुओं पर लगने वाला बाह्यबल उन दोनों को एक दूसरे में फंसा अथवा उलझा सकता है। इसे ही इंटेंगलमेंट कहते हैं। वे दो परमाणु ब्रह्मïांड में चाहे कई प्रकाशवर्ष दूर ही क्यों न स्थित हों, आपस में उलझे ही रहेंगे। उनके चक्रण एक ही समय में सभी स्थितियों में होंगे। लेकिन जिस क्षण उलझे हुए कण का अवलोकन किया जाता है, उसका चक्रण एक तरफ दिखाई देता है। उसी क्षण दूसरे कण का चक्रण विपरीत दिशा में होता है।


    एक तरह से यह सँचार (communication) है। यदि आप किसी उलझे हुए कण के चक्रण को एक तरफ ऊपर की स्थिति में देखें, तो आप अपने आप जान जाएंगे कि दूसरी ओर इसका चक्रण नीचे की ओर है। यह घटना तत्कालिक रूप से घटती है इसलिए यह प्रकाश की गति  के नियमों का उल्लंघन करती हुआ दिखाई देती है। इंटेंगलमेंट के सिद्धांतों से वैज्ञानिकों को विश्वास हो गया है कि इससे गणना की गति को बढ़ाया जा सकता है। वर्तमान के कम्प्यूटरों के साथ यह समस्या है कि उनकी गति प्रकाश की गति से निर्धारित होती है। चाहे वह क्वांटम या पारम्परिक कम्प्यूटर हों, इंटेंगलमेंट इस गति सीमा को पार कर सकता है।


    क्वांटम कम्प्यूटर के लिए सॉफ्टवेयर प्रोग्रामिंग की संकल्पना भी काफी अजूबी है। क्वांटम कम्प्यूटर के लिए प्रोग्रामिंग करने के लिए वर्तमान कम्प्यूटरों के कदम-दर-कदम तर्क का प्रयोग नहीं किया जा सकता है। इसके लिए क्यूबिट्स के विशिष्टï गुणों का प्रयोग करने वाले तर्क की जरूरत है। इसी कार्य को एटीएंड टी बेल लैब्ज़ के लव ग्रोवर ने किया जब उन्होंने एक विधि-विशेष (algorithm) अथवा गणितीय प्रोग्राम का आविष्कार किया जो डाटाबेस को सर्च करने के लिए क्वांटम कम्प्यूटिंग का प्रयोग करता है। वे इस तथ्य की तालाब में कई कंकड़ एक साथ गिराने से तुलना करते हैं जिससे तरंगें एक विशेष तरीके से एक-दूसरे को काटती हैं व असर डालती हैं। ग्रोवर की विधि-विशेष से गणना के बहुमार्गों की स्थापना होती है, जिससे सभी एक दूसरे के लिए व्यतिकारी (interferring) हो जाते हैं। ग्रोवर का कहना है, ''सही उत्तर रचनात्मक रूप से व्यक्तिकरण (interferrence) करते हैं और जुड़ जाते हैं।" यह एक प्रकार की पश्च गणन (backward computing) है। इसमें आप मान लेते हैं कि कम्प्यूटर सभी संभावित उत्तरों को जानता है और इसे उचित उत्तर ढूंढना है।


    1990 के दशक के दौरान ग्रोवर, बेनेट और गेर्शेनफेल्ड मात्र सिद्धांत के स्तर पर ही हाथ-पैर मारते रहे। लेकिन अहम प्रश्न है कि कैसे कार्यशील क्वांटम कम्प्यूटर का निर्माण किया जाए? हाल के वर्षों में इसके कुछ उत्तर मिले हैं। गेर्शेनफेल्ड-चुआँग द्वारा निर्मित क्वांटम कम्प्यूटर पारम्परिक कम्प्यूटरों की भांति बिल्कुल नहीं लगता है। यह एक न्यूक्लियर टोस्टर (Nuclear toaster) ज्यादा लगता है। क्वांटम कम्प्यूटिंग की सबसे बड़ी समस्या है कि गणना करने वाले परमाणुओं को उनके चारों ओर के वातावरण से पूर्णतया पृथक करना होता है। किसी अन्य परमाणु अथवा प्रकाश के कण के साथ किसी भी प्रकार का संबंध उपकरण के परमाणु के चक्रण की दिशा पर प्रभाव डालता है, जिससे गणना पर प्रभाव पड़ता है। फिर भी यदि क्वांटम कम्प्यूटर की प्रोग्रामिंग करना है तो ऐसा होना असंभव है।


    क्लोरोफॉर्म के परमाणु

    कुछ समय पूर्व गेर्शेनफेल्ड और चुआँग ने ब्रेन स्कैन के लिए प्रयोग किए जाने वाली न्यूक्लियर मेग्नेटिक रेज़ोनेंस मशीन (NMR) का प्रयोग क्वांटम कम्प्यूटर के निर्माण के लिए किया। उन्होंने एक टेस्ट ट्यूब को क्लोरोफॉर्म द्रव से भरा। क्लोरोफॉर्म का निर्माण कार्बन और हाईड्रोजन परमाणुओं से होता है। फिर उन्होंने इस टेस्ट ट्यूब को नियंत्रित चुम्बकीय स्पंदन उत्सर्जित करने वाले मेग्नेटिक क्वायल के पास रखा। क्लोरोफॉर्म परमाणुओं की विशेषता होती है कि वे अपने चक्रण के साथ नाचते हैं। ऐसा प्राकृतिक है। न्यूक्लियर मेग्नेटिक रेज़ोनेंस द्वारा उत्सर्जित स्पंदन क्लोरोफार्म परमाणुओं के नृत्य के दौरान कुछ परमाणुओं को धक्का देते हैं, जिससे अप्रत्यक्ष रूप से अन्य परमाणुओं के चक्रण प्रभावित होते हैं। इस तरह से बिना किसी संपर्क के कार्बन परमाणु के चक्रणों को प्रोग्राम किया जा सकता है, जिससे वे क्वांटम कम्प्यूटरों की तरह कार्य करते हैं। नर्तन से चुम्बकीय क्षेत्र में हल्का कूजन (slight warbling) उत्पन्न होती है। इस कूजन के मापन से वैज्ञानिक क्वांटम गणनाओं के परिणाम को पढ़ सकते हैं। एनएमआर चक्रणों को निश्चित अंतराल में धक्का लगाता है। चुआँग के अनुसार ''उछालों (flips) के अनुक्रम (sequence) ही प्रोग्राम हैं।"

    प्रोग्राम में ग्रोवर की विधि विशेष समाहित है। उन्होंने साधारण सर्च किया, उन्होंने एक चरण में चार में से एक आइटम ढूंढा (एक पारम्परिक कम्प्यूटर तीन या चार कोशिशें करेगा)। इस तरह से गेर्शेनफेल्ड और चुआँग ने प्रथम 2-क्यूबिट क्वांटम कम्प्यूटर का निर्माण करने में सफलता प्राप्त की। इस पर लगभग 10 लाख अमेरिकी डॉलर खर्च आया। तब से उन्होंने एक 3-क्यूबिट क्वांटम कम्प्यूटर के निर्माण में भी सफलता प्राप्त की है।


    क्वांटम कम्प्यूटर बनाने के और भी कई तरीके हैं। ऑस्ट्रेलिया में एक वैज्ञानिक ग्रुप ऐसा क्वांटम कम्प्यूटर बनाने की कोशिश कर रहा है जिसमें द्रव का प्रयोग नहीं किया जाएगा। एक अन्य वैज्ञानिक ग्रुप ने 'आयन ट्रैप्स' (ion traps) का प्रयोग किया है, जो एक समय में एक क्वांटम कम्प्यूटिंग कण का निर्माण करता है।

    कम्प्यूटर कंपनियाँ भी क्वांटम कम्प्यूटर के निर्माण में काफी दिलचस्पी दिखाती हैं। इस बारे में गेर्शेनफेल्ड का कहना है कि यदि ट्रांजिस्टर पर लगे कम्प्यूटर चिप इसी तरह छोटे होते गए तो लगभग 2020 के आसपास कम्प्यूटर चिप पर लगे तार की मोटाई परमाणु की मोटाई के बराबर हो जाएगी। ऐसे में वर्तमान चिप डिजाइन प्रयोग करने वाले कम्प्यूटर और अधिक तेज रफ्तार के नहीं किए जा सकेंगे। इसके लिए कोई विकल्प आवश्यक है। ऐसे में क्वांटम कम्प्यूटर ही एकमात्र आकर्षक विकल्प दिखाई देता है। क्वांटम कम्प्यूटर के लिए सिलिकॉन की अपेक्षा सप्लाई मैटीरियल की मात्रा भी अक्षय है।


    क्वांटम कम्प्यूटरों के लिए प्रोग्रामिंग लैंग्वेज का विकास

    क्वांटम कम्प्यूटर जो समान्तर में बहुत सी गणना करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी (Quantum Mechanics) के रहस्य पर आधारित हैं, का अभी व्यावहारिक पक्ष उभरकर सामने आना बाकी है। इन कम्प्यूटरों का सैद्धान्तिक पक्ष ही उजागर हुआ है। लेकिन भविष्य की संभावनाओं को देखते हुए इन लगभग अस्तित्वहीन मशीनों के लिए शोधकर्ताओं ने प्रोग्रामों को लिखने की कोशिश आरंभ कर दी है। वैज्ञानिकों का विश्वास है कि क्वांटम कम्प्यूटरों के लिए प्रोग्राम लिख जाने से ऐसा कम्प्यूटर तैयार करने में आसानी होगी जो काफी उपयोगी हो। इस विषय में फ्रांस की सबाटियर यूनीवर्सिटी के स्टेफनो बेट्टेली के एक शोधपत्र को यूरोपियन फिजिक्स जर्नल द्वारा स्वीकार कर लिया गया है।

    वर्तमान कम्प्यूटरों की गणना का आधार द्विआधारी अंक (binary digit) अथवा 'बिट' है, जिसका 0 अथवा 1 मूल्य हो सकता है। क्वांटम कम्प्यूटर में बिट्स का स्थान 'क्यूबिट्स' ले लेती हैं, जो अध्यारोपण (superimposition) की अवस्थाओं में होती हैं- आंशिक 0 और आंशिक 1। इसी अध्यारोपण की वजह से गणना का समान्तर में होना संभव होता है। एक क्यूबिट के मूल्य का मापन करने से अंतोगत्वा इसे दो द्विआधारी अंकों 0 अथवा 1 में ही परिवर्तित करना होगा। किसी भी सुसंगठित क्वांटम गणना में ऐसा होना आवश्यक नहीं होना चाहिए।


    कम से कम यही सिद्धान्त है। लेकिन इसे व्यावहारिक रूप देना काफी कठिन है। डा. बेट्टïेल्ली और उनके सहयोगियों ने फिर भी इसे व्यावहारिक बनाने का प्रयास किया है। उनकी लैंग्वेज के मुख्य तत्व 'क्वांटम रजिस्टर्स' (Quantum Registers) और 'क्वांटम ऑपरेटर्स' (Quantum operators) हैं। क्वांटम रजिस्टर्स प्रोग्राम के लिए वह मार्ग हैं जिनसे वे किसी क्यूबिट विशेष से परस्पर क्रिया करते हैं। वह मशीन के अंदर क्यूबिट्स के स्थान के लिए 'प्वाइंटर्स' (Pointers) का कार्य करते हैं। इस तरह से उन क्यूबिट्स में प्रोग्राम के द्वारा फेरबदल किया जा सकता है।


    यह फेरबदल 'क्वांटम ऑपरेटर्स' के द्वारा किया जाता है। ये लॉजिकल ऑपरेटर्स (Logical Operators) के समतुल्य होते हैं, जैसे कि ''एंड",''नॉट" और ''अथवा", जो कि परंपरागत् प्रोग्रामिंग का आधार हैं (जिसमें एक निर्देश कह सकता है कि ''जब A अथवा B और
    C सत्य नहीं हैं "D" करें) । क्वांटम ऑपरेटर्स यूनीटरी ट्राँसफॉर्मेशन" (unitary  transformation) पर निर्भर करते हैं। (नाम की उत्पत्ति बीजगणित के व्यूहों में दबा रहता है)। यहाँ पर यह आवश्यक है कि युक्तिपूर्ण तरीके से प्रोग्राम को रेखांकित करने वाले यूनीटरी ट्रांसफॉर्मेशंस की व्याख्या इस तरह की जाए कि वह कम्प्यूटर वैज्ञानिकों के लिए उपयोगी हो। डा. बेट्टïेल्ली ने ऑब्जेक्ट ओरिएण्टेड प्रोग्रामिंग का प्रयोग करते हुए इस कार्य में सफलता प्राप्त की है।


    ऑब्जेक्ट ओरिएण्टेड प्रोग्रामिंग कमांड और डाटा दोनों को, इंडिविजुअल बंडल्स जिन्हें ऑब्जेक्ट कहते हैं, को संयुक्त करके कार्य करती है। ये ऑब्जेक्ट पारम्परिक और क्वांटम कम्प्यूटरों के बीच की दूरी को मिटाने में प्रयोग किए जा सकते हैं। ऐसी संभावना है कि कार्यशील क्वांटम कम्प्यूटर बड़े परम्परागत कम्प्यूटर का एक विशेष हिस्सा होगा, इसलिए किसी भी सफल लैंग्वेज़ को रजिस्टर्स और ऑपरेटर्स को इस तरह से संभालना होगा कि वे परम्परागत् संगणना के साथ एकीकृत की जा सके।

    क्वांटम कम्प्यूटर
    की ओर एक कदम अमेरिकी वैज्ञानिकों ने क्वांटम कम्प्यूटर को बनाने की दिशा में एक कदम बढ़ाया है। अभी तक वैज्ञानिकों ने अपना ध्यान उन मूलभूत तत्वों के विकास पर लगाया है जो क्वांटम बिट्स अथवा क्यूबिट्स कहलाने वाली सूचनाओं को स्टोर करने में सक्षम हों। विज्ञान पत्रिका 'नेचरÓ में प्रकाशित लेखों के अनुसार शोधकर्ताओं ने ऐसा तरीका ढूंढ लिया है जिससे यह क्यूबिट्स आपस में सम्प्रेषण (Communicate) कर सकें। उदाहरण के लिए एक कम्प्यूटर चिप के आरपार। अभी तक क्यूबिट्स केवल अपनी पड़ोसी क्यूबिट्स से ही संप्रेषण करने में सक्षम थे। लेकिन अब येल यूनीवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने ऐसी तकनीक का विकास कर लिया है जिससे एक ही चिप में एक स्टेशनरी क्वांटम बिट से सूचना दूसरी स्टेशनरी क्वांटम बिट तक सम्प्रेषित की जा सकती है। इसके लिए माइक्रोवेब फोटॉन को माध्यम बनाया जाता है। यह तकनीक क्वांटम कम्प्यूटर बनाने की दिशा में प्रारम्भिक, किंतु एक महत्वपूर्ण कदम है। इसी तरह के प्रयास दुनिया के कई हिस्सों में किए जा रहे हैं।

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