क्वांटम मेमोरी

क्वांटम कम्प्यूटिंग में, क्वांटम मेमोरी क्वांटम यांत्रिकी या सामान्य मेमोरी 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 अवस्था में उपयोगी कम्प्यूटेशनल जानकारी होती है जिसे क्वैबिट के नाम से जाना जाता है। रोजमर्रा के कंप्यूटरों की मौलिक मेमोरी के विपरीत, क्वांटम मेमोरी में संग्रहीत अवस्थाएं जितना कि सुपरइम्पोज़िशन में हो सकती हैं, जो मौलिक सूचना संचयन 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 उपकरण भी सम्मिलित है जो क्वांटम कंप्यूटिंग में विभिन्न प्रक्रियाओं (कंप्यूटिंग) से मेल खा सकता है, एक क्वांटम गेट 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 जो 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 संचयन का अनुभव 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 एक समूह पर प्रकाश की क्वांटम स्थिति को मैप करता है और फिर इसे 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। चूँकि, प्रकाश की क्वांटम स्थिति को बहाल करना कोई आसान काम नहीं है। चूँकि 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 संचयन पर चर्चा की गई। प्रयोग का विश्लेषण 1998 में किया गया और 2003 में प्रदर्शित किया गया। संक्षेप में, एकल फोटॉन अवस्था में क्वांटम संचयन के अध्ययन को प्रस्तावित मौलिक ऑप्टिकल डेटा संचयन तकनीक का उत्पाद माना जा सकता है। 1979 और 1982, 1970 के दशक के मध्य में डेटा संचयन के उच्च घनत्व से प्रेरित एक विचार. प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों को अवशोषित करने के लिए अवशोषक का उपयोग करके ऑप्टिकल डेटा संचयन 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 मौलिक ऑप्टिकल सिग्नल प्रकाश के आयाम को अलग-अलग करके प्रसारित होते हैं। इस स्थिति में, लैंप पर जानकारी संग्रहीत करने के लिए कागज का एक टुकड़ा, या कंप्यूटर हार्ड डिस्क का उपयोग किया जा सकता है. चूँकि, 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 है। 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
मौलिक 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 संचयन जानकारी रखने वाले भौतिक क्वैबिट के आंतरिक सुसंगतता समय द्वारा सीमित है। दी गई भौतिक क्वैबिट संचयन सीमा से परे क्वांटम मेमोरी संचयन क्वैबिट्स के लिए एक क्वांटम सूचना संचरण होगी जो पर्यावरणीय ध्वनि 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 समान्यता: एकल फोटॉन क्वांटम अवस्थाओं का पता लगाने और संग्रहीत करने के लिए किया जाता है। चूँकि इस प्रकार की कुशल मेमोरी 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 संचयन दर लंबे समय से 50% से नीचे बनी हुई है। हांगकांग विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और एचकेयूएसटी में विलियम मोंग इंस्टीट्यूट ऑफ नैनो साइंस एंड टेक्नोलॉजी के भौतिकी विभाग के प्रोफेसर डु शेंगवांग के नेतृत्व में एक टीम ने ऑप्टिकल क्वांटम मेमोरी की दक्षता बढ़ाने का एक विधि खोजा है। 85 प्रतिशत से अधिक यह खोज क्वांटम कंप्यूटर की लोकप्रियता को वास्तविकता के समीप 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 रौचक 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 नियम संचार सुरक्षा की आश्वासन 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 मैजिक यह है कि यदि कोई हैकर उन्हें पारगमन में देखने की प्रयाश करता है, तो उनकी नाजुक क्वांटम स्थिति बिखर जाती है। इसका अर्थ यह है कि हैकर्स के लिए बिना कोई निशान छोड़े नेटवर्क डेटा से अपवृद्धि 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 संचयन 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। वर्तमान 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 प्रयुक्त की गई थी। इन निकट से संबंधित प्रयोगों के अतिरिक्त, ऑप्टिकल स्टोरेज को अभी भी वास्तव में प्रयुक्त नहीं किया गया है। उपस्थित नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र (नकारात्मक चार्ज और तटस्थ नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र) ऊर्जा स्तर संरचना हीरे के नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र के ऑप्टिकल संचयन को संभव बनाती है।

नाइट्रोजन-रिक्ति स्पिन संयोजन और सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट के बीच युग्मन सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट के माइक्रोवेव संचयन 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 महत्वपूर्ण में किया गया है प्रारंभिक अनुसंधान से लेकर नवीनतम परिणामों तक स्मृति विकास, जिस पर हम चर्चा कर रहे हैं, उनकी उच्च ऑप्टिकल गहराई, लंबे सुसंगत समय और आसान निकट-अवरक्त ऑप्टिकल संक्रमण के कारण है।

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: प्रस्तुत 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 संचयन उत्तेजना की स्थानिक सुसंगतता को नष्ट कर देती है। प्रारंभिक सफलताओं में स्थानिक संरचना के अशक्त सुसंगत स्पंदनों को गर्म, अल्ट्राकोल्ड परमाणु संपूर्ण में संग्रहीत करना सम्मिलित 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 संचयन संरचना, एक वास्तविक एकल फोटॉन, रुबिडियम मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता के साथ प्राप्त 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 सिद्ध करता है, जहां एक पूर्वघोषित एकल फोटॉन 100 नैनोसेकंड के लिए कक्षीय कोणीय गति सुपरपोजिशन स्थिति को संग्रहीत करता है।



रत्न
जीईएम (ग्रैडिएंट इको मेमोरी) ऑप्टिकल जानकारी संग्रहीत करने के लिए एक प्रोटोकॉल है और इसे परमाणु गैस और ठोस-अवस्था मेमोरी दोनों पर प्रयुक्त किया जा सकता है। इस विचार को पहली बार एएनयू 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 संचयन का प्रदर्शन हुआ।

विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता
इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली प्रेरित पारदर्शिता (ईआईटी) पहली बार 1990 में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में हैरिस और उनके सहयोगियों द्वारा प्रस्तुत 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 समाप्त 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 संचयन समय लंबा है और इसे प्रयुक्त करना अपेक्षाकृत आसान और सस्ता समाधान है। उदाहरण के लिए, विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता के लिए समान्यता: रमन क्वांटम यादों के लिए आवश्यक बहुत उच्च शक्ति नियंत्रण बीम की आवश्यकता नहीं होती है,और न ही इसे तरल हीलियम तापमान के उपयोग की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, 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 मौलिक शासन में 92% संचयन -और-पुनर्प्राप्ति दक्षता का प्रदर्शन किया गया था। और किसी भी मौलिक बेंचमार्क को पछाड़ते हुए अशक्त सुसंगत अवस्था में एन्कोड किए गए ध्रुवीकरण क्वैबिट के लिए 70% संचयन -और-पुनर्प्राप्ति दक्षता का प्रदर्शन किया गया। इन प्रदर्शनों के बाद, एकल-फोटॉन ध्रुवीकरण क्वैबिट को ईआईटी के माध्यम से संग्रहीत किया गया 85Rb शीत परमाणु संयोजन और 85% दक्षता के साथ पुनर्प्राप्त किया गया था और दो सीज़ियम-आधारित क्वांटम यादों के बीच उलझाव भी 90% के समीप समग्र स्थानांतरण दक्षता के साथ प्राप्त 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 संचयन 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 अवस्था के संचयन और सुसंगतता का उपयोग करके क्वांटम रिपीटर पर आधारित एक बड़े मापदंड 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 मेमोरी बनाई जाती है जो सामान्य से भिन्न होती है। इसमें मल्टीमोड क्षमता है और इसे उच्च निष्ठा क्वांटम कनवर्टर के रूप में भी उपयोग किया जा सकता है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि इन सभी ऑपरेशनों में, फोटॉन द्वारा किए गए त्रि-आयामी क्वांटम अवस्था की निष्ठा को लगभग 89% पर बनाए रखा जा सकता है।

रमन का ठोसों में प्रकीर्णन
40 टीएचजेड 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 बातचीत के कुछ अनावृत्ति अध्ययनों की अनुमति दी है: हीरे में ऑप्टिकल फोनन का उपयोग उत्सर्जन क्वांटम मेमोरी मैक्रोस्कोपिक अनुचित, पूर्व-अनुमानित एकल-फोटॉन संचयन और एकल-फोटॉन आवृत्ति हेरफेर को प्रदर्शित करने के लिए किया जा सकता है। ।

भविष्य का विकास
क्वांटम मेमोरी के लिए, क्वांटम संचार और क्रिप्टोग्राफी भविष्य की शोध दिशाएँ हैं। चूँकि 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 सकता है। स्विट्ज़रलैंड में जिनेवा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने फ्रांस के सीएनआर के साथ काम करते हुए एक नई सामग्री की खोज की है जिसमें यटरबियम 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 अधिकृत 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 को खोजना महत्वपूर्ण हो जाता है। येटरबियम एक अच्छा इन्सुलेटर है और उच्च आवृत्तियों पर काम करता है जिससे फोटॉन को संग्रहीत किया जा सके और जल्दी से पुनर्स्थापित किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * क्यूबिट
 * मात्रा
 * क्वांटम कम्प्यूटिंग
 * क्वांटम सूचना विज्ञान

बाहरी संबंध

 * 2007 "blueprint"