क्वांटम सूचना विज्ञान: भौतिकी में क्वांटम प्रभाव के साथ सूचना विज्ञान

क्वांटम सूचना विज्ञान एक नया क्षेत्र है जिसमें गणना, संचार, सटीक माप और मौलिक क्वांटम विज्ञान से जुड़े विज्ञान और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में क्रांति लाने की क्षमता है। इस क्षेत्र की उत्पत्ति लगभग बीस साल पहले हुई थी जब चार्ल्स बेनेट, पॉल बेनिओफ, रिचर्ड फेनमैन और अन्य जैसे अग्रदूतों ने शास्त्रीय ट्यूरिंग कंप्यूटिंग मशीन के साथ क्वांटम यांत्रिकी के संयोजन के निहितार्थ पर विचार करना शुरू किया था । इस लेख में और जानें।

क्वांटम सूचना विज्ञान क्या है?

क्वांटम सूचना विज्ञान एक अंतः विषय क्षेत्र है जो सूचना के विश्लेषण, प्रसंस्करण और संचरण को समझने के लिए क्वांटम यांत्रिकी सिद्धांतों का उपयोग करता है। यह सूचना विज्ञान और भौतिकी में क्वांटम प्रभावों को जोड़ती है। यह कम्प्यूटेशनल मॉडल के साथ-साथ अधिक प्रयोगात्मक क्वांटम भौतिकी विषयों में सैद्धांतिक मुद्दों को शामिल करता है, जैसे कि क्वांटम जानकारी के साथ क्या किया जा सकता है और क्या नहीं। क्वांटम सूचना सिद्धांत शब्द का भी उपयोग किया जाता है, लेकिन इसमें प्रायोगिक अनुसंधान शामिल नहीं है इसलिए आप इसमे क्वांटम सूचना विज्ञान के एक उपक्षेत्र के साथ कंफ्यूज हो सकते हैं जो क्वांटम सूचना प्रसंस्करण से संबंधित है।

यह सब कब प्रारंभ हुआ?

सैकड़ों वर्षों तक, पदार्थ और ऊर्जा के गुणों के बारे में हमारी समझ न्यूटन, गॉस, मैक्सवेल और अन्य द्वारा प्रकृति के अवलोकन से प्राप्त गणितीय समीकरणों पर आधारित थी। ये कानून गति, बल, गर्मी, बिजली और चुंबकत्व का एक उपयोगी मॉडल प्रदान करते हैं, जिससे हमें इंजन, बिजली जनरेटर, कंप्यूटर और संचार उपकरणों का निर्माण करने की अनुमति मिलती है।

जैसा कि हमने बीसवीं शताब्दी में परमाणु और उप-परमाणु पैमाने पर प्रकृति का निरीक्षण करना शुरू किया, यह स्पष्ट हो गया कि शास्त्रीय मॉडल छोटी दूरी पर गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए अपर्याप्त था। इसके बजाय, एक क्वांटम मॉडल की आवश्यकता थी, जिसने बाद में प्रकृति में पुष्टि की गई अविश्वसनीय विशेषताओं को पेश किया।

शास्त्रीय मॉडल कण प्रणालियों या तरंगों का वर्णन कर सकता है, लेकिन ये दो अलग-अलग घटनाएं हैं। क्वांटम मॉडल में पदार्थ में तरंगों और कणों दोनों के गुण होते हैं। यह व्यवहार ध्रुवीकरण की दो शास्त्रीय दिशाओं (जैसे, “ऊपर” या “नीचे”) के साथ एक प्रणाली की अनुमति देता है, जैसे कि चुंबक, स्टेट्स के क्वांटम सुपरपोजिशन में होने के साथ-साथ “ऊपर” और “नीचे” दोनों का ध्रुवीकरण करता है। बहुपक्षीय प्रणालियों के स्टेट्स “उलझे हुए” हो सकते हैं, जो शास्त्रीय सिद्धांत की अनुमति से अधिक मजबूत सहसंबंधों को प्रदर्शित करते हैं।

बीसवीं सदी में, हमने ट्रांजिस्टर और लेजर जैसी नई तकनीकों को बनाने के लिए क्वांटम मॉडल का उपयोग किया, जिसने हमारे जीवन में क्रांति ला दी। इक्कीसवीं सदी में, हम नए कंप्यूटर और संचार उपकरणों के निर्माण के लिए क्वांटम गुणों का उपयोग करना शुरू कर रहे हैं। यह कंप्यूटर के साथ समस्याओं को हल करने के तरीके के बारे में सोचने के एक पूरी तरह से अलग तरीके की आवश्यकता है, विशेष रूप से कुछ समस्याओं को हल करना कितना मुश्किल है।

ये व्यावहारिक निहितार्थ वाले गहन प्रश्न हैं। क्रिप्टोग्राफ़ी, जो हमें संदेशों में वित्तीय या स्वास्थ्य डेटा जैसी संवेदनशील जानकारी को निजी रखने की अनुमति देती है, एक अधिकृत व्यक्ति के अलावा किसी और को जानकारी चुराने के लिए बहुत कठिन गणना करने की आवश्यकता पर आधारित है। शास्त्रीय मॉडल कठिनाई की हमारी वर्तमान अवधारणाओं को रेखांकित करता है। क्वांटम दुनिया में कई शास्त्रीय रूप से कठिन संगणनाएं सरल हैं।

क्वांटम उपकरणों के पहले अनुप्रयोगों में से एक प्रकृति मॉडलिंग में होगा, जहां रासायनिक प्रणालियों और भौतिक उपकरणों के गुणों और व्यवहार की गणना क्वांटम स्तर पर की जाएगी। ये कुछ सबसे कठिन सिमुलेशन हैं जो वर्तमान में पारंपरिक कंप्यूटरों पर किए जा रहे हैं। क्वांटम कंप्यूटरों में व्यावहारिक समय पर अधिक यथार्थवादी मॉडलिंग को सक्षम करके खेल को बदलने की क्षमता है। इस तरह के सिमुलेशन में दवा डिजाइन, टिकाऊ ऊर्जा उत्पादन और नई सामग्री के विकास सहित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला हो सकती है।

अनुसंधान और विकास

क्वांटम टेलीपोर्टेशन, क्वांटम उलझाव और क्वांटम कंप्यूटर हार्डवेयर के निर्माण को समझने के लिए, क्वांटम भौतिकी और इंजीनियरिंग की गहन समझ की आवश्यकता है। 2010 के बाद से, क्वांटम कंप्यूटर निर्माण में उल्लेखनीय प्रगति हुई है, Google और IBM जैसी कंपनियों ने क्वांटम कंप्यूटर हार्डवेयर अनुसंधान में भारी निवेश किया है। अब 100 से अधिक qubits के साथ एक क्वांटम कंप्यूटर का निर्माण करना संभव है। हालांकि, क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण के लिए उपयुक्त सामग्री की कमी के कारण त्रुटि दर बहुत अधिक है। मेजराना फर्मियन गायब होने वाली प्रमुख सामग्रियों में से एक हो सकता है।

क्वांटम क्रिप्टोग्राफी डिवाइस पहले से ही बाजार में हैं, जो एक पुराना सिफर है जिसे वन-टाइम पैड के रूप में जाना जाता है जिसका व्यापक रूप से शीत युद्ध के दौरान जासूसों द्वारा उपयोग किया जाता था। यह यादृच्छिक कुंजियों का एक लंबा अनुक्रम नियोजित करता है। यदि दो लोगों ने समान यादृच्छिक कुंजियों का सुरक्षित रूप से आदान-प्रदान किया, तो यह केवल संयोग से है कि एक बार के पैड को डिक्रिप्ट किया जा सकता है। हालाँकि, प्रमुख आदान-प्रदान की समस्याओं को क्वांटम उलझे हुए कण जोड़े का आदान-प्रदान करके हल किया जा सकता है। नो-क्लोनिंग प्रमेय और वेव फंक्शन पतन जैसे क्वांटम यांत्रिक नियम यादृच्छिक कुंजियों के सुरक्षित आदान-प्रदान की नींव बनाते हैं। नतीजतन, क्वांटम उलझे हुए कणों के परिवहन में सक्षम उपकरण विकसित करना एक महत्वपूर्ण वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग लक्ष्य है। क्वांटम कंप्यूटर प्रोग्रामिंग भाषाओं की भी आवश्यकता होती है। लोकप्रिय क्वांटम प्रोग्रामिंग भाषाओं में Qiskit, Cirq और Q Sharp शामिल हैं।

गणितीय विषय

एल्गोरिदम और कम्प्यूटेशनल जटिलता सिद्धांत में शामिल विषयों में से एक क्वांटम एल्गोरिदम और क्वांटम जटिलता सिद्धांत है। पीटर शोर, एक गणितज्ञ ने 1994 में अपना प्राइम फ़ैक्टराइज़ेशन एल्गोरिथम प्रकाशित किया था। शोर के एल्गोरिथम और 4,000 लॉजिकल क्वबिट क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके, कोई भी आरएसए और ईसीसी जैसे सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सिफर को धमकी दे सकता है। परिणामस्वरूप कई देशों को गंभीर सुरक्षा मुद्दों का सामना करना पड़ सकता है। नतीजतन, उनके पेपर ने क्वांटम कंप्यूटिंग अनुसंधान में निवेश में वृद्धि की। क्वांटम कंप्यूटिंग के आगमन के लिए कई गणितज्ञ और क्रिप्टोलॉजिस्ट कमर कस रहे हैं।

क्वांटम सूचना विज्ञान क्या करेगा?

एक प्रमुख विकास जिसने क्वांटम सूचना विज्ञान में बढ़ती रुचि को बढ़ावा दिया है, कंप्यूटिंग और सूचना प्रसंस्करण के रूप हैं जो क्वांटम प्रभावों जैसे “सुपरपोजिशन” से शास्त्रीय भौतिक बाधाओं को दूर करने में सक्षम हो सकते हैं, जिसमें देखे जाने तक सभी संभावित अवस्थाओं में एक क्वांटम प्रणाली मौजूद हो सकती है, और “एनटैंगल”, जिसमे एक पेयर्ड सिस्टम के एक मेंबर का मापन दूसरे मेंबर को तुरंत एक संबंधित मूल्य ग्रहण करने का कारण बनता है, भले ही वे अंतरिक्ष में कितनी भी दूर हों। नतीजतन, क्वांटम सूचना विज्ञान को नीचे बताए गए चार प्रमुख क्षेत्रों में महान वादा माना जाता है:

• क्वांटम कंप्यूटिंग: क्वांटम कंप्यूटिंग 1 या 0 के मान वाले बिट्स के बजाय qubits को नियोजित करती है, जिसमें मध्यवर्ती मान हो सकते हैं। जबकि क्वांटम कंप्यूटर शास्त्रीय कंप्यूटरों के प्रतिस्थापन नहीं हैं, उन्हें कुछ समस्याओं को हल करने में असाधारण रूप से शक्तिशाली माना जाता है, जैसे कि बहुत बड़ी संख्या में फैक्टरिंग और विज्ञान की कुछ दीर्घकालिक चुनौतियों से निपटना। उन्हें वास्तविक भौतिक क्वांटम व्यवहार का अनुकरण करने में विशेष रूप से अच्छा माना जाता है, चाहे वह भौतिक या रासायनिक प्रणालियों में हो।
• क्वांटम संचार: क्वांटम सूचना प्रणाली अत्यंत सुरक्षित एन्क्रिप्शन की संभावना प्रदान करती है, जो एक ऐसे युग में एक प्रमुख आकर्षण है जब साइबर सुरक्षा लगातार खतरे में है।
• क्वांटम सेंसिंग: क्वांटम प्रभावों पर आधारित सेंसर बेहद संवेदनशील माने जाते हैं और जैविक प्रणालियों से लेकर डार्क मैटर की प्रकृति तक हर चीज को समझने में मदद कर सकते हैं।
• क्वांटम मूलभूत विज्ञान: क्वांटम सूचना विज्ञान के अनुप्रयोग को क्वांटम कंप्यूटिंग, संचार और संवेदन तक विस्तारित करने के लिए, मौलिक सैद्धांतिक और प्रायोगिक अनुसंधान की आवश्यकता है।

निष्कर्ष

क्वांटम सूचना विज्ञान, विज्ञान और प्रौद्योगिकी का एक नया क्षेत्र है जो भौतिक विज्ञान, गणित, कंप्यूटर विज्ञान और इंजीनियरिंग को एकीकृत करता है। इसका लक्ष्य यह समझना है कि इस सदी की शुरुआत में खोजे गए कुछ मूलभूत भौतिकी कानूनों का उपयोग सूचना अधिग्रहण, संचरण और प्रसंस्करण में नाटकीय रूप से सुधार के लिए कैसे किया जा सकता है। इस क्षेत्र के रोमांचक वैज्ञानिक अवसर वैज्ञानिकों और प्रौद्योगिकीविदों के बढ़ते समुदाय के हित को प्रोत्साहित कर रहे हैं, और वे पारंपरिक अनुशासनात्मक सीमाओं के पार अभूतपूर्व बातचीत को बढ़ावा दे रहे हैं। आने वाली सदी में, सूचना प्रौद्योगिकी में राष्ट्रीय प्रतिस्पर्धा के लिए क्वांटम सूचना विज्ञान में प्रगति तेजी से महत्वपूर्ण हो जाएगी।

पिछले कई दशकों की सूचना प्रौद्योगिकी क्रांति सिलिकॉन चिप्स पर इलेक्ट्रॉनिक सर्किटरी के लघुकरण में लगातार प्रगति से प्रेरित है, जिससे प्रदर्शन लगभग हर 18 महीने में दोगुना हो जाता है। हालांकि, 20 साल से भी कम समय में, यह सिकुड़न परमाणु आयामों तक पहुंच जाएगी, अगर मौजूदा दर पर प्रगति जारी रखनी है तो एक नए प्रतिमान की आवश्यकता होगी। नतीजतन, महत्वपूर्ण विचार और दीर्घकालिक योजना पहले से ही परमाणु पैमाने पर उपकरणों के डिजाइन और निर्माण की चुनौतियों के लिए समर्पित की जा रही है और उन्हें विश्वसनीय रूप से काम करने के लिए, एक क्षेत्र को व्यापक रूप से नैनो तकनीक के रूप में जाना जाता है।

हालांकि, यह लंबे समय से ज्ञात है कि परमाणु और अन्य छोटी वस्तुएं क्वांटम भौतिकी के नियमों का पालन करती हैं जो कई तरह से सामान्य ज्ञान की अवहेलना करती हैं। तो एक परमाणु को देखने से यह फैलता है और ऐसा व्यवहार करता है जैसे कि यह एक ही समय में कई अलग-अलग जगहों पर होता है, जबकि इसका अवलोकन न करने से यह फैलता है और ऐसा व्यवहार करता है जैसे कि यह एक ही समय में कई अलग-अलग जगहों पर हो। लगभग पांच साल पहले तक, इस तरह के क्वांटम प्रभावों को ज्यादातर एक उपद्रव के रूप में माना जाता था, जिससे छोटे उपकरण कम विश्वसनीय होते थे और उनके बड़े समकक्षों की तुलना में त्रुटि की संभावना अधिक होती थी।

नया क्या है, जो क्वांटम सूचना विज्ञान को अन्य पारंपरिक विषयों से अलग करता है, वह यह अहसास है कि क्वांटम प्रभाव केवल एक उपद्रव नहीं है, बल्कि इसका उपयोग महत्वपूर्ण और अन्यथा असंभव सूचना-प्रसंस्करण कार्यों को करने के लिए किया जा सकता है। क्वांटम प्रभाव का उपयोग पहले से ही अटूट कोड बनाने के लिए किया जा चुका है, और एक क्वांटम कंप्यूटर, यदि भविष्य में बनाया जा सकता है, तो कुछ गणनाओं को आसानी से किया जा सकता है जो आज के सुपर कंप्यूटरों को ब्रह्मांड की उम्र से अधिक समय लगेगा। जिस तरह से क्वांटम प्रभाव गणना में तेजी लाते हैं, वह एक साधारण मात्रात्मक सुधार नहीं है, जैसे कि एक तेज प्रोसेसर या समानांतर में काम करने वाले कई प्रोसेसर का उपयोग करके एक कठिन समस्या को तेजी से हल करना।

बल्कि, यह एक गुणात्मक सुधार है, जो गणना करते समय रोमन अंकों के बजाय दशमलव संख्याओं के उपयोग के लाभ के समान है। पहली बार, सूचना के भौतिक रूप का केवल मात्रात्मक प्रभाव के बजाय गुणात्मक प्रभाव पड़ता है कि इसे कितनी कुशलता से संसाधित किया जा सकता है और इसके साथ क्या किया जा सकता है।

नतीजतन, इसके तकनीकी निहितार्थों के अलावा, क्वांटम सूचना विज्ञान एक बौद्धिक रूप से उत्तेजक क्षेत्र है जिसमें बुनियादी गणितीय और भौतिक विज्ञान के लिए दूरगामी सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक निहितार्थ हैं। यह वर्णन करने के लिए कि प्रकृति कैसे काम करती है, साथ ही साथ वैज्ञानिक और तकनीकी मुद्दों की एक विस्तृत श्रृंखला के बारे में सोचने के नए तरीकों का वर्णन करने के लिए पहले से ही एक पूरी तरह से नई भाषा पेश कर रही है। किसी भी क्रांतिकारी वैज्ञानिक खोज की तरह, इसके दीर्घकालिक प्रभावों का अनुमान लगाना कठिन है, लेकिन हमें विश्वास है कि वे गहरे होंगे। हम यह भी अनुमान लगाते हैं कि क्वांटम सूचना विज्ञान के उद्भव का कॉलेज और माध्यमिक स्तरों पर विज्ञान कैसे पढ़ाया जाता है, इस पर महत्वपूर्ण दीर्घकालिक प्रभाव पड़ेगा, साथ ही साथ आम जनता के एक बड़े हिस्से को क्वांटम भौतिकी की गहरी समझ प्रदान करेगा।

जबकि क्वांटम सूचना विज्ञान का संभावित आर्थिक प्रभाव बहुत बड़ा है, नई क्वांटम प्रौद्योगिकियों को महसूस करने से पहले मुद्दों को हल किया जाना चाहिए। ये समस्याएं व्यापक और गहरी हैं, जिसमें सिद्धांत, प्रयोग और इंजीनियरिंग शामिल हैं। क्वांटम सूचना विज्ञान के लिए आधारभूत कार्य करना महत्वपूर्ण है, जो इन समस्याओं को हल करने के लिए उपकरण प्रदान करेगा और अधिक विशिष्ट तकनीकी लक्ष्यों की ओर प्रगति की अनुमति देगा।

अपने लंबे समय के क्षितिज और अंतर्निहित अंतःविषय प्रकृति के कारण, क्वांटम सूचना विज्ञान का विकास अद्वितीय चुनौतियां प्रस्तुत करता है। फील्डवर्क में शोधकर्ता पारंपरिक विषयों के बाहरी इलाके में हैं, जिससे धन प्राप्त करना या अपने करियर को आगे बढ़ाना मुश्किल हो जाता है। सबसे प्रतिभाशाली छात्र क्वांटम इंफॉर्मेशन साइंस से पैदा होने वाले उत्साह से आकर्षित होते हैं, लेकिन वे अनिश्चित हैं कि पारंपरिक शैक्षणिक विभाग के भीतर उस रुचि को कैसे आगे बढ़ाया जाए। चिंताजनक रूप से, क्वांटम सूचना विज्ञान अनुसंधान में उन्नत डिग्री प्राप्त करने वाले उत्कृष्ट युवा वैज्ञानिकों को देश के दीर्घकालिक आर्थिक स्वास्थ्य के लिए क्वांटम सूचना विज्ञान की स्पष्ट प्रासंगिकता के बावजूद, अपने काम का समर्थन करने के लिए स्थिर धन की कमी के कारण अक्सर क्षेत्र छोड़ने के लिए मजबूर होना पड़ता है।

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स्त्रोत

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