क्वांटम संगणन

क्वांटम संगणन ही क्वांटम यांत्रिकीच्या नियमांचा वापर करून माहितीची प्रक्रिया करणारी संगणन पद्धत आहे. सध्याचे संगणक माहिती शून्य व एक या दोन अवस्थांत साठवतात, तर क्वांटम संगणक या दोन्ही अवस्थांच्या एकत्रित स्वरूपाचा वापर करतात. या पद्धतीमुळे काही विशिष्ट समस्या शास्त्रीय संगणकापेक्षा अनेक पटींनी वेगाने सोडवता येऊ शकतात. क्वांटम संगणन हे अजूनही संशोधनाच्या टप्प्यात आहे. अनेक देश व कंपन्या या तंत्रज्ञानावर मोठी गुंतवणूक करत आहेत.

माहिती

शास्त्रीय संगणकातील मूलभूत एकक म्हणजे बिट. बिटची अवस्था शून्य किंवा एक अशी एकच असते. क्वांटम संगणकातील मूलभूत एकक म्हणजे क्यूबिट, ज्याची अवस्था एकाच वेळी शून्य व एक अशी दोन्ही असू शकते.

या गुणधर्मामुळे क्वांटम संगणक अनेक शक्यता एकाच वेळी तपासू शकतो. मात्र याचा अर्थ तो सर्व कामे वेगाने करतो असे नाही. फक्त काही विशिष्ट प्रकारच्या समस्यांसाठीच त्याचा फायदा होतो.

क्वांटम संगणनाची कल्पना विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात पुढे आली. भौतिकशास्त्रज्ञ रिचर्ड फाइनमन यांनी क्वांटम प्रणालींचे अनुकरण करण्यासाठी क्वांटम संगणकाची गरज व्यक्त केली. पुढील दशकांत हे क्षेत्र स्वतंत्र संशोधन शाखा बनले.

क्यूबिट

क्यूबिट हे क्वांटम माहितीचे मूलभूत एकक आहे. ते विविध पद्धतींनी तयार केले जाते; सुपरकंडक्टिंग परिपथ, अणू, आयन किंवा प्रकाशकण यांचा त्यासाठी वापर होतो.

क्यूबिटची अवस्था अत्यंत नाजूक असते. बाह्य हस्तक्षेपामुळे ती लगेच बदलू शकते. त्यामुळे क्वांटम संगणक अत्यंत थंड तापमानात व बंदिस्त वातावरणात ठेवले जातात.

एका क्यूबिटमध्ये अमर्याद माहिती साठवता येते असे नाही. मोजणी केल्यावर त्याची अवस्था एका निश्चित मूल्यात बदलते. त्यामुळे क्वांटम संगणनात मोजणी कशी व केव्हा करायची, हेच महत्त्वाचे ठरते.

सुपरपोझिशन

सुपरपोझिशन म्हणजे एखादी प्रणाली एकाच वेळी अनेक अवस्थांमध्ये असणे. दैनंदिन जगात असे घडत नाही, पण सूक्ष्म कणांच्या पातळीवर हे नैसर्गिकरित्या घडते. क्वांटम संगणनाची शक्ती याच तत्त्वावर उभी आहे.

अनेक क्यूबिट एकत्र आल्यास त्यांच्या एकत्रित अवस्थांची संख्या झपाट्याने वाढते. दहा क्यूबिटच्या बाबतीत एकाच वेळी सुमारे हजाराहून अधिक अवस्था उपलब्ध असतात. पन्नास क्यूबिटसाठी ही संख्या अकल्पनीय होते.

याचा अर्थ असा की काही समस्यांच्या सर्व शक्य उत्तरांची एकत्रितपणे चाचणी करता येते. पण योग्य उत्तर मिळवण्यासाठी या शक्यतांमधून हवे ते उत्तर उठून दिसावे लागते, आणि तेच खरे आव्हान आहे.

गुंफण

गुंफण म्हणजे दोन किंवा अधिक कणांमधील अशी जोडणी की एकाची अवस्था माहीत असल्यास दुसऱ्याची अवस्थाही लगेच समजते. हे अंतरावरूनही घडू शकते आणि याचा वापर माहितीच्या देवाणघेवाणीसाठी होतो.

गुंफणीमुळे अनेक क्यूबिट एकत्रित प्रणाली म्हणून वागतात. त्यामुळे संगणनात समन्वय साधता येतो आणि काही समस्या वेगाने सोडवता येतात. मात्र गुंफण टिकवणे अत्यंत कठीण असते.

गुंफणीचा वापर क्वांटम संदेशवहनातही होतो. या पद्धतीत माहितीची सुरक्षितता वाढते, कारण मध्ये कोणी प्रयत्न केल्यास तो शोधला जाऊ शकतो. काही देशांनी या तंत्रज्ञानाच्या चाचण्या यशस्वीरित्या केल्या आहेत.

शास्त्रीय संगणकाशी फरक

बाब	शास्त्रीय संगणक	क्वांटम संगणक
मूलभूत एकक	बिट	क्यूबिट
अवस्था	शून्य किंवा एक	दोन्ही एकत्र
कार्यपद्धती	क्रमिक व निश्चित	संभाव्यता आधारित
तापमान	सामान्य	अत्यंत कमी
त्रुटी	कमी	जास्त, सुधारणा आवश्यक
उपयोग	सर्वसाधारण	विशिष्ट समस्या

शास्त्रीय संगणक सर्वसाधारण कामांसाठी अधिक विश्वासार्ह व स्वस्त आहेत. क्वांटम संगणक त्यांची जागा घेणार नाहीत, तर काही विशिष्ट कामांसाठी त्यांची जोड म्हणून वापरले जातील असे तज्ज्ञ मानतात.

अल्गोरिदमच्या दृष्टीने काही पद्धती प्रसिद्ध आहेत. पीटर शोर यांनी १९९४ मध्ये मोठ्या संख्यांचे अवयव पाडण्याची पद्धत मांडली, तर लव्ह ग्रोव्हर यांनी १९९६ मध्ये शोध वेगवान करणारी पद्धत सुचवली. या दोन्हींनी क्षेत्राला मोठी गती दिली.

क्वांटम संगणकाची क्षमता दाखवण्यासाठी काही प्रयोग झाले आहेत. २०१९ मध्ये एका कंपनीने विशिष्ट गणितीय काम शास्त्रीय संगणकापेक्षा वेगाने पूर्ण केल्याचा दावा केला. या दाव्यावर तज्ज्ञांमध्ये चर्चा सुरू आहे.

उपयोग

मोठ्या संख्यांचे अवयव पाडणे ही क्वांटम संगणकाची सर्वात चर्चित क्षमता आहे. या क्षमतेमुळे सध्याच्या अनेक गुप्तलेखन पद्धती असुरक्षित होऊ शकतात. त्यामुळेच नव्या सुरक्षित पद्धतींवर आता संशोधन सुरू आहे.

औषध व सामग्री संशोधनात रेणूंच्या वर्तनाचे अनुकरण करण्यासाठी क्वांटम संगणन उपयुक्त ठरू शकते. नवीन औषधे व बॅटरीसाठी लागणारी सामग्री शोधण्याची प्रक्रिया यामुळे वेगवान होऊ शकते.

मोठ्या माहितीसंचातून हवी ती नोंद शोधणे आणि वाहतूक व आर्थिक नियोजनातील गुंतागुंतीच्या समस्या सोडवणे यासाठीही या तंत्रज्ञानाचा विचार केला जातो.

आव्हाने

क्वांटम अवस्था अत्यंत नाजूक असल्याने त्रुटी सतत होत असतात. त्या सुधारण्यासाठी एका उपयुक्त क्यूबिटमागे अनेक भौतिक क्यूबिट लागतात. त्यामुळे मोठा व स्थिर क्वांटम संगणक उभारणे अजून कठीण आहे.

यंत्रणा अत्यंत थंड तापमानात ठेवावी लागते, त्यासाठी मोठी व महाग सुविधा लागते. अशा यंत्रणा सामान्य वापरासाठी उपलब्ध होण्यास अजून बराच काळ लागेल असे मानले जाते.

प्रोग्रामिंगची पद्धतही वेगळी आहे आणि त्यासाठी नवे कौशल्य आवश्यक आहे. योग्य अल्गोरिदम तयार करणे हे देखील मोठे आव्हान आहे.

भारतातील प्रयत्न

भारत सरकारने २०२३ मध्ये राष्ट्रीय क्वांटम मोहिमेला मंजुरी दिली. या मोहिमेसाठी सुमारे सहा हजार कोटी रुपयांची तरतूद करण्यात आली आहे. यात संगणन, संदेशवहन, संवेदक आणि सामग्री या क्षेत्रांवर भर देण्यात आला आहे.

देशातील अनेक संस्था व विद्यापीठे या क्षेत्रात संशोधन करत आहेत. काही संस्थांनी लहान क्वांटम प्रणाली विकसित केल्या असून प्रयोग सुरू आहेत. तज्ज्ञ तयार करण्यासाठी अभ्यासक्रमही सुरू झाले आहेत.

क्वांटम संगणनाचा सामाजिक परिणामही विचारात घ्यावा लागेल. सध्याच्या गुप्तलेखन पद्धती कमकुवत झाल्यास बँकिंग व संदेशवहनाची सुरक्षा धोक्यात येऊ शकते. त्यामुळेच नव्या पद्धती आतापासूनच विकसित केल्या जात आहेत.

शिक्षणाच्या दृष्टीनेही हे क्षेत्र महत्त्वाचे आहे. अभियांत्रिकी व विज्ञानाच्या अभ्यासक्रमांत क्वांटम माहितीचा समावेश वाढत आहे. पुढील दशकात या क्षेत्रात तज्ज्ञांची मोठी मागणी निर्माण होईल असे अंदाज व्यक्त केले जातात.

संदर्भ

शेवटचे संपादन: ७ नोव्हेंबर २०२६