क्वांटम मेमोरी

क्वांटम कम्प्यूटिंग में, क्वांटम मेमोरी क्वांटम यांत्रिकी|सामान्य  स्मृति  का क्वांटम-मैकेनिकल संस्करण है। जबकि साधारण मेमोरी  बाइनरी संख्या  स्थिति (1 एस और 0 एस द्वारा दर्शाया गया) के रूप में जानकारी संग्रहीत करती है, क्वांटम मेमोरी बाद में पुनर्प्राप्ति के लिए एक क्वांटम स्थिति संग्रहीत करती है। इन राज्यों में उपयोगी कम्प्यूटेशनल जानकारी होती है जिसे क्वैबिट के नाम से जाना जाता है। रोजमर्रा के कंप्यूटरों की शास्त्रीय मेमोरी के विपरीत, क्वांटम मेमोरी में संग्रहीत अवस्थाएं  जितना कि सुपरइम्पोज़िशन  में हो सकती हैं, जो शास्त्रीय सूचना भंडारण की तुलना में क्वांटम एल्गोरिथ्म में अधिक व्यावहारिक लचीलापन देती है।

क्वांटम सूचना विज्ञान में कई उपकरणों के विकास के लिए क्वांटम मेमोरी आवश्यक है, जिसमें एक सिंक्रोनाइज़ेशन टूल भी शामिल है जो क्वांटम कंप्यूटिंग में विभिन्न प्रक्रियाओं (कंप्यूटिंग) से मेल खा सकता है, एक कितना राज्य जो किसी भी स्थिति की पहचान बनाए रखता है, और पूर्व निर्धारित को परिवर्तित करने के लिए एक तंत्र फोटॉन को ऑन-डिमांड फोटॉन में बदलें। क्वांटम मेमोरी का उपयोग कई पहलुओं में किया जा सकता है, जैसे क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम संचार। निरंतर अनुसंधान और प्रयोगों ने क्वांटम मेमोरी को क्वैबिट के भंडारण का एहसास करने में सक्षम बनाया है।

पृष्ठभूमि और इतिहास
कई कणों के साथ क्वांटम विकिरण की परस्पर क्रिया ने पिछले दशक में वैज्ञानिक रुचि जगाई है। क्वांटम मेमोरी एक ऐसा क्षेत्र है, जो परमाणुओं के समूह पर प्रकाश की क्वांटम स्थिति को मैप करता है और फिर उसे उसके मूल आकार में पुनर्स्थापित करता है। क्वांटम मेमोरी सूचना प्रसंस्करण में एक प्रमुख तत्व है, जैसे कि ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम संचार, जबकि प्रकाश-परमाणु संपर्क की नींव के लिए एक नया रास्ता खोलता है। हालाँकि, प्रकाश की क्वांटम स्थिति को बहाल करना कोई आसान काम नहीं है। हालाँकि प्रभावशाली प्रगति हुई है, शोधकर्ता अभी भी इसे संभव बनाने के लिए काम कर रहे हैं। फोटॉन क्वैबिट को स्टोर करने के लिए क्वांटम एक्सचेंज पर आधारित क्वांटम मेमोरी को संभव दिखाया गया है। केसेल और मोइसेव 1993 में एकल फोटॉन अवस्था में क्वांटम भंडारण पर चर्चा की गई। प्रयोग का विश्लेषण 1998 में किया गया और 2003 में प्रदर्शित किया गया। संक्षेप में, एकल फोटॉन अवस्था में क्वांटम भंडारण के अध्ययन को प्रस्तावित शास्त्रीय ऑप्टिकल डेटा भंडारण तकनीक का उत्पाद माना जा सकता है। 1979 और 1982, 1970 के दशक के मध्य में डेटा भंडारण के उच्च घनत्व से प्रेरित एक विचार. प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों को अवशोषित करने के लिए अवशोषक का उपयोग करके ऑप्टिकल डेटा भंडारण प्राप्त किया जा सकता है, जिसे फिर बीम अंतरिक्ष बिंदुओं पर निर्देशित किया जाता है और संग्रहीत किया जाता है।

परमाणु गैस क्वांटम मेमोरी
सामान्य, शास्त्रीय ऑप्टिकल सिग्नल प्रकाश के आयाम को अलग-अलग करके प्रसारित होते हैं। इस मामले में, लैंप पर जानकारी संग्रहीत करने के लिए कागज का एक टुकड़ा, या कंप्यूटर हार्ड डिस्क का उपयोग किया जा सकता है. हालाँकि, क्वांटम सूचना परिदृश्य में, जानकारी को प्रकाश के आयाम और चरण के अनुसार एन्कोड किया जा सकता है। कुछ संकेतों के लिए, आप सिग्नल में हस्तक्षेप किए बिना प्रकाश के आयाम और चरण दोनों को नहीं माप सकते। क्वांटम जानकारी संग्रहीत करने के लिए, प्रकाश को बिना मापे ही संग्रहीत करने की आवश्यकता होती है। एक परमाणु गैस क्वांटम मेमोरी परमाणु बादल में प्रकाश की स्थिति को रिकॉर्ड कर रही है। जब प्रकाश की जानकारी परमाणुओं द्वारा संग्रहीत की जाती है, तो प्रकाश के सापेक्ष आयाम और चरण को परमाणुओं में मैप किया जाता है और मांग पर प्राप्त किया जा सकता है।

सॉलिड क्वांटम मेमोरी
शास्त्रीय कंप्यूटिंग में, मेमोरी एक तुच्छ संसाधन है जिसे लंबे समय तक चलने वाले मेमोरी हार्डवेयर में दोहराया जा सकता है और बाद में आगे की प्रक्रिया के लिए पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। क्वांटम कंप्यूटिंग में, यह निषिद्ध है क्योंकि, नो क्लोन प्रमेय के अनुसार, किसी भी क्वांटम अवस्था को पूरी तरह से पुन: प्रस्तुत नहीं किया जा सकता है। इसलिए, क्वांटम त्रुटि सुधार की अनुपस्थिति में, क्वैबिट का भंडारण जानकारी रखने वाले भौतिक क्वैबिट के आंतरिक सुसंगतता समय द्वारा सीमित है। दी गई भौतिक क्वैबिट भंडारण सीमा से परे क्वांटम मेमोरी भंडारण क्वैबिट्स के लिए एक क्वांटम सूचना संचरण होगी जो पर्यावरणीय शोर और अन्य कारकों से आसानी से प्रभावित नहीं होती है। जानकारी को बाद में त्वरित संचालन या पढ़ने की अनुमति देने के लिए पसंदीदा प्रक्रिया क्वैबिट में वापस स्थानांतरित कर दिया जाएगा।



खोज
ऑप्टिकल क्वांटम मेमोरी का उपयोग आमतौर पर एकल फोटॉन क्वांटम अवस्थाओं का पता लगाने और संग्रहीत करने के लिए किया जाता है। हालाँकि, इस प्रकार की कुशल स्मृति उत्पन्न करना वर्तमान विज्ञान के लिए अभी भी एक बड़ी चुनौती है। एक एकल फोटॉन में ऊर्जा इतनी कम होती है कि वह एक जटिल प्रकाश पृष्ठभूमि में खो जाता है। इन समस्याओं के कारण क्वांटम भंडारण दर लंबे समय से 50% से नीचे बनी हुई है। हांगकांग विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय में भौतिकी विभाग के प्रोफेसर डू शेंगवांग के नेतृत्व में एक टीम और एचकेयूएसटी में विलियम मोंग इंस्टीट्यूट ऑफ नैनो साइंस एंड टेक्नोलॉजी ने ऑप्टिकल क्वांटम मेमोरी की दक्षता को 85 प्रतिशत से अधिक तक बढ़ाने का एक तरीका ढूंढ लिया है। यह खोज क्वांटम कंप्यूटर की लोकप्रियता को वास्तविकता के करीब भी लाती है। साथ ही, क्वांटम मेमोरी का उपयोग क्वांटम नेटवर्क में पुनरावर्तक के रूप में भी किया जा सकता है, जो क्वांटम इंटरनेट की नींव रखता है।

अनुसंधान और अनुप्रयोग
क्वांटम मेमोरी क्वांटम नेटवर्क, क्वांटम रिपीटर, रैखिक ऑप्टिकल क्वांटम गणना या लंबी दूरी की क्वांटम संचार जैसे क्वांटम सूचना प्रसंस्करण अनुप्रयोगों का एक महत्वपूर्ण घटक है। ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज कई वर्षों से एक महत्वपूर्ण शोध विषय रहा है। इसका सबसे दिलचस्प कार्य क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी के माध्यम से डेटा को चोरी से बचाने के लिए क्वांटम भौतिकी के नियमों का उपयोग करना है, जो बिना शर्त संचार सुरक्षा की गारंटी देता है। वे कणों को क्वांटम सुपरपोज़िशन में सुपरइम्पोज़ करने की अनुमति देते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक ही समय में कई संयोजनों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं। इन कणों को क्वांटम बिट्स या क्वबिट्स कहा जाता है। साइबर सुरक्षा के दृष्टिकोण से, क्वैबिट का जादू यह है कि यदि कोई हैकर उन्हें पारगमन में देखने की कोशिश करता है, तो उनकी नाजुक क्वांटम स्थिति बिखर जाती है। इसका मतलब यह है कि हैकर्स के लिए बिना कोई निशान छोड़े नेटवर्क डेटा से छेड़छाड़ करना असंभव है। अब, कई कंपनियां अत्यधिक संवेदनशील डेटा प्रसारित करने वाले नेटवर्क बनाने के लिए इस सुविधा का लाभ उठा रही हैं। सैद्धांतिक रूप से, ये नेटवर्क सुरक्षित हैं।

माइक्रोवेव भंडारण और प्रकाश शिक्षण माइक्रोवेव रूपांतरण
हीरे में नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र ने ऑप्टिकल नैनोफोटोनिक उपकरणों में अपने उत्कृष्ट प्रदर्शन के कारण पिछले दशक में बहुत सारे शोध को आकर्षित किया है। हाल के एक प्रयोग में, पूर्ण फोटोइलेक्ट्रिक चुंबकीय क्षेत्र संवेदन प्राप्त करने के लिए एक मल्टी-पास डायमंड चिप पर विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता लागू की गई थी। इन निकट से संबंधित प्रयोगों के बावजूद, ऑप्टिकल स्टोरेज को अभी भी व्यवहार में लागू नहीं किया गया है। मौजूदा नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र (नकारात्मक चार्ज और तटस्थ नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र) ऊर्जा स्तर संरचना हीरे के नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र के ऑप्टिकल भंडारण को संभव बनाती है।

नाइट्रोजन-रिक्ति स्पिन संयोजन और सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट के बीच युग्मन सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट के माइक्रोवेव भंडारण की संभावना प्रदान करता है। ऑप्टिकल स्टोरेज इलेक्ट्रॉन स्पिन स्थिति और सुपरकंडक्टिंग क्वांटम बिट्स के युग्मन को जोड़ता है, जो हीरे में नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र को सुसंगत प्रकाश और माइक्रोवेव के पारस्परिक रूपांतरण की हाइब्रिड क्वांटम प्रणाली में भूमिका निभाने में सक्षम बनाता है।

कक्षीय कोणीय संवेग क्षार वाष्प में संग्रहीत होता है
बड़ी गुंजयमान प्रकाश गहराई कुशल क्वांटम-ऑप्टिकल मेमोरी के निर्माण का आधार है। क्षार धातु वाष्प समस्थानिक बड़ी संख्या में निकट-अवरक्त तरंग दैर्ध्य ऑप्टिकल गहराई के होते हैं, क्योंकि वे अपेक्षाकृत संकीर्ण स्पेक्ट्रम रेखा होते हैं और 50-100 ∘ C के गर्म तापमान में उच्च घनत्व की संख्या होती है। क्षार वाष्प का उपयोग कुछ सबसे अधिक में किया गया है प्रारंभिक अनुसंधान से लेकर नवीनतम परिणामों तक, जिन पर हम चर्चा कर रहे हैं, महत्वपूर्ण स्मृति विकास, उनकी उच्च ऑप्टिकल गहराई, लंबे सुसंगत समय और आसान निकट-अवरक्त ऑप्टिकल संक्रमण के कारण।

इसकी उच्च सूचना प्रसारण क्षमता के कारण, लोग क्वांटम सूचना के क्षेत्र में इसके अनुप्रयोग में अधिक रुचि रखते हैं। संरचित प्रकाश प्रकाश की कक्षीय कोणीय गति को ले जा सकता है, जिसे संग्रहीत संरचनात्मक फोटॉन को ईमानदारी से पुन: पेश करने के लिए मेमोरी में संग्रहीत किया जाना चाहिए। एक परमाणु वाष्प क्वांटम मेमोरी ऐसे बीमों को संग्रहीत करने के लिए आदर्श है क्योंकि फोटॉनों की कक्षीय कोणीय गति को वितरित एकीकरण उत्तेजना के चरण और आयाम में मैप किया जा सकता है। प्रसार इस तकनीक की एक प्रमुख सीमा है क्योंकि गर्म परमाणुओं की गति भंडारण उत्तेजना की स्थानिक सुसंगतता को नष्ट कर देती है। प्रारंभिक सफलताओं में स्थानिक संरचना के कमजोर सुसंगत स्पंदनों को गर्म, अल्ट्राकोल्ड परमाणु संपूर्ण में संग्रहीत करना शामिल था। एक प्रयोग में, सीज़ियम मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में वैज्ञानिकों का एक ही समूह एकल-फोटॉन स्तर पर वेक्टर बीम को संग्रहीत और पुनः प्राप्त करने में सक्षम था। मेमोरी वेक्टर बीम के रोटेशन इनवेरिएंस को संरक्षित करती है, जिससे इसे कुसमायोजित प्रतिरक्षा क्वांटम संचार के लिए एन्कोडेड क्वैबिट के साथ संयोजन में उपयोग करना संभव हो जाता है।

पहली भंडारण संरचना, एक वास्तविक एकल फोटॉन, रुबिडियम मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता के साथ हासिल की गई थी। एक मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में सहज चार-तरंग मिश्रण द्वारा उत्पन्न अनुमानित एकल फोटॉन को सर्पिल चरण प्लेटों का उपयोग करके एक कक्षीय कोणीय गति इकाई द्वारा तैयार किया जाता है, दूसरे मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में संग्रहीत किया जाता है और पुनर्प्राप्त किया जाता है। दोहरी-कक्षा सेटअप मल्टीमोड मेमोरी में भी सुसंगतता साबित करता है, जहां एक पूर्वघोषित एकल फोटॉन 100 नैनोसेकंड के लिए कक्षीय कोणीय गति सुपरपोजिशन स्थिति को संग्रहीत करता है।



रत्न
GEM (ग्रैडिएंट इको मेमोरी) ऑप्टिकल जानकारी संग्रहीत करने के लिए एक प्रोटोकॉल है और इसे परमाणु गैस और ठोस-अवस्था मेमोरी दोनों पर लागू किया जा सकता है। इस विचार को पहली बार ANU के शोधकर्ताओं द्वारा प्रदर्शित किया गया था। गर्म परमाणु वाष्प पर आधारित तीन-स्तरीय प्रणाली में प्रयोग के परिणामस्वरूप 87% तक दक्षता के साथ सुसंगत भंडारण का प्रदर्शन हुआ।

विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता
इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली प्रेरित पारदर्शिता (ईआईटी) पहली बार 1990 में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में हैरिस और उनके सहयोगियों द्वारा पेश की गई थी। कार्य से पता चला कि जब एक लेज़र किरण उत्तेजना पथों के बीच एक क्वांटम हस्तक्षेप का कारण बनती है, तो परमाणु माध्यम की ऑप्टिकल प्रतिक्रिया को परमाणु संक्रमणों की गुंजयमान आवृत्तियों पर अवशोषण और अपवर्तन को खत्म करने के लिए संशोधित किया जाता है। ईआईटी के आधार पर धीमी रोशनी, ऑप्टिकल स्टोरेज और क्वांटम मेमोरी प्राप्त की जा सकती है। अन्य दृष्टिकोणों के विपरीत, ईआईटी का भंडारण समय लंबा है और इसे लागू करना अपेक्षाकृत आसान और सस्ता समाधान है। उदाहरण के लिए, विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता के लिए आमतौर पर रमन क्वांटम यादों के लिए आवश्यक बहुत उच्च शक्ति नियंत्रण बीम की आवश्यकता नहीं होती है, न ही इसे तरल हीलियम तापमान के उपयोग की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, फोटॉन प्रतिध्वनि ईआईटी पढ़ सकता है जबकि स्पिन सुसंगतता गैर-समान रूप से विस्तारित मीडिया में स्पिन रिकवरी के कारण रीडआउट पल्स की समय देरी के कारण जीवित रहती है। यद्यपि ऑपरेटिंग तरंग दैर्ध्य, बैंडविड्थ और मोड क्षमता पर कुछ सीमाएं हैं, क्वांटम दूरसंचार के विकास में ईआईटी-आधारित क्वांटम यादों को एक मूल्यवान उपकरण बनाने के लिए तकनीकें विकसित की गई हैं। 2018 में, ठंडे परमाणु में एक अत्यधिक कुशल ईआईटी-आधारित ऑप्टिकल मेमोरी ने सुसंगत बीम के साथ शास्त्रीय शासन में 92% भंडारण-और-पुनर्प्राप्ति दक्षता का प्रदर्शन किया। और किसी भी शास्त्रीय बेंचमार्क को पछाड़ते हुए कमजोर सुसंगत राज्यों में एन्कोड किए गए ध्रुवीकरण क्वैबिट के लिए 70% भंडारण-और-पुनर्प्राप्ति दक्षता का प्रदर्शन किया गया। इन प्रदर्शनों के बाद, एकल-फोटॉन ध्रुवीकरण क्वैबिट को EIT के माध्यम से संग्रहीत किया गया 85आरबी शीत परमाणु संयोजन और 85% दक्षता के साथ पुनर्प्राप्त किया गया और दो सीज़ियम-आधारित क्वांटम यादों के बीच उलझाव भी 90% के करीब समग्र स्थानांतरण दक्षता के साथ हासिल किया गया था।

दुर्लभ पृथ्वी से मिश्रित क्रिस्टल
प्रकाश और पदार्थ के बीच क्वांटम सूचना का पारस्परिक परिवर्तन क्वांटम सूचना विज्ञान का फोकस है। एक एकल फोटॉन और दुर्लभ-पृथ्वी आयन के साथ डोप किए गए ठंडे क्रिस्टल के बीच परस्पर क्रिया की जांच की जाती है। दुर्लभ पृथ्वी से डोप किए गए क्रिस्टल में क्वांटम भंडारण के क्षेत्र में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं क्योंकि वे एक अद्वितीय अनुप्रयोग प्रणाली प्रदान करते हैं। चीनी विज्ञान अकादमी की क्वांटम सूचना प्रयोगशाला से ली चेंगफ़ेंग ने एक ठोस-अवस्था क्वांटम मेमोरी विकसित की और समय और आवृत्ति का उपयोग करके फोटॉन कंप्यूटिंग फ़ंक्शन का प्रदर्शन किया। इस शोध के आधार पर, सामग्री प्रणाली में क्वांटम राज्यों के भंडारण और सुसंगतता का उपयोग करके क्वांटम रिपीटर पर आधारित एक बड़े पैमाने पर क्वांटम नेटवर्क का निर्माण किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पहली बार दुर्लभ-पृथ्वी आयन-डोप्ड क्रिस्टल में दिखाया है। त्रि-आयामी अंतरिक्ष को द्वि-आयामी समय और द्वि-आयामी स्पेक्ट्रम के साथ जोड़कर, एक प्रकार की स्मृति बनाई जाती है जो सामान्य से भिन्न होती है। इसमें मल्टीमोड क्षमता है और इसे उच्च निष्ठा क्वांटम कनवर्टर के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि इन सभी ऑपरेशनों में, फोटॉन द्वारा किए गए त्रि-आयामी क्वांटम राज्य की निष्ठा को लगभग 89% पर बनाए रखा जा सकता है।

रमन का ठोसों में प्रकीर्णन
40 THz के ऑप्टिकल फ़ोनन मोड में डायमंड का रमन लाभ बहुत अधिक है और इसमें दृश्यमान और निकट-अवरक्त बैंड में एक विस्तृत क्षणिक विंडो है, जो इसे बहुत विस्तृत बैंड के साथ ऑप्टिकल मेमोरी होने के लिए उपयुक्त बनाती है। रमन स्टोरेज इंटरेक्शन के बाद, ऑप्टिकल फोनन चैनल के माध्यम से फोटॉन की एक जोड़ी में क्षय हो जाता है, और क्षय जीवनकाल 3.5 पीएस है, जो संचार प्रोटोकॉल के लिए हीरे की मेमोरी को अनुपयुक्त बनाता है।

फिर भी, हीरे की मेमोरी ने क्वांटम स्तर पर प्रकाश और पदार्थ के बीच की बातचीत के कुछ खुलासा अध्ययनों की अनुमति दी है: हीरे में ऑप्टिकल फोनन का उपयोग उत्सर्जन क्वांटम मेमोरी, मैक्रोस्कोपिक उलझाव, पूर्व-अनुमानित एकल-फोटॉन भंडारण और एकल-फोटॉन को प्रदर्शित करने के लिए किया जा सकता है। आवृत्ति हेरफेर.

भविष्य का विकास
क्वांटम मेमोरी के लिए, क्वांटम संचार और क्रिप्टोग्राफी भविष्य की शोध दिशाएँ हैं। हालाँकि, वैश्विक क्वांटम नेटवर्क बनाने में कई चुनौतियाँ हैं। सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों में से एक ऐसी यादें बनाना है जो प्रकाश द्वारा लाई गई क्वांटम जानकारी को संग्रहीत कर सकें। स्विट्ज़रलैंड  में जिनेवा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने फ्रांस के सीएनआर के साथ काम करते हुए एक नई सामग्री की खोज की है जिसमें  ytterbium  नामक तत्व उच्च आवृत्तियों पर भी क्वांटम जानकारी को संग्रहीत और संरक्षित कर सकता है। यह येटरबियम को भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक आदर्श उम्मीदवार बनाता है। क्योंकि संकेतों को दोहराया नहीं जा सकता है, वैज्ञानिक अब अध्ययन कर रहे हैं कि क्वांटम यादों को फोटॉन को कैप्चर करके उन्हें सिंक्रनाइज़ करके दूर और दूर तक यात्रा करने के लिए कैसे बनाया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, क्वांटम यादें बनाने के लिए सही सामग्री ढूंढना महत्वपूर्ण हो जाता है। येटरबियम एक अच्छा इन्सुलेटर है और उच्च आवृत्तियों पर काम करता है ताकि फोटॉन को संग्रहीत किया जा सके और जल्दी से बहाल किया जा सके।

यह भी देखें

 * क्यूबिट
 * मात्रा
 * क्वांटम कम्प्यूटिंग
 * क्वांटम सूचना विज्ञान

बाहरी संबंध

 * 2007 "blueprint"