কোয়ান্টাম ইনফরমেশন ও কোয়ান্টাম কম্পিউটিং (পর্ব ১৭): ফিজিক্যাল হার্ডওয়্যার আর্কিটেকচার: সুপারকন্ডাক্টিং ট্রান্সমন বনাম ট্র্যাপড আয়ন

তাত্ত্বিক কোয়ান্টাম অ্যালগরিদমগুলো বিমূর্ত হিলবার্ট স্পেসে পরিচালিত হলেও বাস্তব কোয়ান্টাম প্রসেসর তৈরি করতে হয় থার্মোডাইনামিক নয়েজে ভরা বস্তুজগতে। স্কেলেবল কোয়ান্টাম কম্পিউটার নির্মাণের এই ঐতিহাসিক দৌড়ে বিশ্বব্যাপী দুটি প্রধান প্রযুক্তিগত ধারা শীর্ষে অবস্থান করছে: সুপারকন্ডাক্টিং ট্রান্সমন সার্কিট এবং ট্র্যাপড-আয়ন প্রসেসর। এই দুটি সিস্টেম দ্রুততম গেট অপারেশন এবং দীর্ঘতম কোহেরেন্স স্থায়িত্বের মধ্যে এক অনবদ্য দ্বন্দ্ব ও ভারসাম্য প্রদর্শন করে।

১. সুপারকন্ডাক্টিং কিউবিট: ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম সার্কিট

সিলিকন চিপের ওপর লিথোগ্রাফিক পদ্ধতিতে প্রিন্ট করা সুপারকন্ডাক্টিং সার্কিটগুলো মূলত কৃত্রিম পরমাণু (Artificial Atoms)। এগুলোকে ডাইলিউশন রেফ্রিজারেটরে পরম শূন্য তাপমাত্রার কাছাকাছি ($10 text{ mK}$) ঠাণ্ডা করা হলে ইলেকট্রনগুলো কুপার জোড়ায় (Cooper Pairs) আবদ্ধ হয় এবং একটি একক ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম তরঙ্গ ফাংশনে পরিণত হয়।

নন-লিনিয়ার ইন্ডাক্টর হিসেবে জোসেফসন জাংশন

একটি সাধারণ এলসি (LC) সার্কিটে শক্তির স্তরগুলোর ব্যবধান সমান থাকে, ফলে লেজার বা মাইক্রোওয়েভ পালস দিলে তা উচ্চতর স্তরে চলে যায়। এই সমস্যা দূর করতে ব্যবহৃত হয় জোসেফসন জাংশন (Josephson Junction)—দুটি সুপারকন্ডাক্টরের মাঝে ন্যানোমিটার পুরু অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইডের অন্তরক স্তর। এটি একটি নন-লিনিয়ার ইন্ডাকট্যান্স তৈরি করে, যা শক্তির স্তরগুলোকে অসম ব্যবধানে সাজিয়ে ($|0rangle$ এবং $|1rangle$) একটি নিখুঁত ২-লেভেল কিউবিট গঠন করে।

ট্রান্সমন রেভোলিউশন: চার্জ নয়েজ দূরীকরণ

২০০৭ সালে ইয়েল বিশ্ববিদ্যালয়ের বিজ্ঞানীরা উদ্ভাবন করেন ট্রান্সমন (Transmon) কিউবিট। জাংশনের সাথে একটি বৃহৎ ক্যাপাসিটর যুক্ত করে জোসেফসন শক্তি ও চার্জিং শক্তির অনুপাত $E_J / E_C gg 50$-এ উন্নীত করা হয়। এর ফলে সিলিকন চিপের চার্জ নয়েজ জনিত বিশৃঙ্খলা সূচকীয় হারে দূরীভূত হয়, যা একক-কিউবিট গেট স্পিড ১০ থেকে ২০ ন্যানোসেকেন্ডে নামিয়ে আনে। গুগল ও আইবিএম এই প্রযুক্তিতে শীর্ষস্থানীয়।

২. ট্র্যাপড-আয়ন প্রসেসর: নিখুঁত প্রাকৃতিক পরমাণু

কৃত্রিম সার্কিট বানানোর বদলে ট্র্যাপড-আয়ন কম্পিউটারে প্রকৃতিপ্রদত্ত নিখুঁত একক চার্জযুক্ত আয়নকে (যেমন Ytterbium-171 বা Calcium-43) আল্ট্রা-হাই ভ্যাকুয়ামে রেডিওফ্রিকোয়েন্সি বৈদ্যুতিক কোয়াড্রপোল ক্ষেত্রের (Paul Trap) মাধ্যমে শূন্যে ভাসিয়ে রাখা হয়।

আয়নের অভ্যন্তরীণ হাইপারফাইন ক্লক স্টেটগুলোতে কোয়ান্টাম তথ্য সংরক্ষিত থাকে। পরিবেশের চৌম্বক নয়েজের প্রতি এরা এতটাই প্রতিরোধী যে এদের কোহেরেন্স সময় $T_2$ কয়েক ঘণ্টা পর্যন্ত স্থায়ী হতে পারে!

মেলমার-সোরেনসেন (Mølmer-Sørensen) এন্ট্যাঙ্গেলিং গেট

আয়নগুলোর মধ্যকার শারীরিক দূরত্ব কয়েক মাইক্রোমিটার হওয়ায় তারা সরাসরি একে অপরকে প্রভাবিত করতে পারে না। এজন্য তাদের সমন্বিত যান্ত্রিক কম্পন বা ফোনন (Phonons)-কে সেতুবন্ধন হিসেবে ব্যবহার করে বিশেষ ডাইক্রোমাটিক লেজার পালস প্রয়োগ করা হয়। এই মেলমার-সোরেনসেন গেটের মাধ্যমে ৯৯.৯%-এরও বেশি নির্ভুলতায় দুটি আয়নের মাঝে বেল স্টেট তৈরি করা যায়। কোয়ান্টিনুয়াম (Quantinuum) এবং আয়ন-কিউ (IonQ) এই আর্কিটেকচারে বিশ্বসেরা ফিডেলিটি অর্জন করেছে।

৩. নিউট্রাল অ্যাটম ও সিলিকন স্পিন কিউবিট

এই দুই প্রধান প্রযুক্তির পাশাপাশি লেজার টুইজার দিয়ে আবদ্ধ নিউট্রাল অ্যাটম (Rydberg Blockade) এবং স্ট্যান্ডার্ড চিপ ম্যানুফ্যাকচারিং কারখানায় নির্মিত সিলিকন স্পিন কিউবিট দ্রুত বিকাশ লাভ করছে, যা ভবিষ্যতে লক্ষ লক্ষ কিউবিট উৎপাদনের পথ উন্মোচন করবে।

শাকিল মাহমুদ সজল

সফটওয়্যার প্রকৌশলী ও লেখক, ঢাকা, বাংলাদেশ। কম্পিউটার বিজ্ঞান, পদার্থবিজ্ঞান, ইতিহাস ও ভাবনার সমন্বয়ে ব্যক্তিগত নোট ও প্রবন্ধ সংকলন।