క్వాంటమ్‌ శక్తి!

సమాచార విప్లవం! ఆధునిక మానవ ప్రస్థానాన్ని పరుగులు పెట్టిస్తోంది. పరిశ్రమలు, వ్యవసాయం దగ్గర్నుంచి జీవన విధానం వరకూ అన్నింటినీ సమూలంగా మార్చేస్తోంది. ఇప్పటి అభివృద్ధి అంతా దీంతో ముడిపడిందే. అంతర్జాల వెల్లువతో సమాచారం పాత్ర మరింత బలంగా పాతుకుపోయింది. సరైన సమాచారం అందితే, దాన్ని వినియోగించుకుంటే ఎంతటి ఆధిపత్యాన్ని సాధించొచ్చో, ఎంత లబ్ధి పొందొచ్చో అనటానికి అభివృద్ధి చెందిన దేశాలే నిదర్శనం. ఇది ఆరంభం మాత్రమే. ఇప్పుడు మనం మరో కొత్త సమాచార శకంలోకి అడుగు పెడుతున్నాం. సమస్త రంగాలను మరోసారి సమూలంగా మార్చేసే యుగంలోకి ప్రవేశిస్తున్నాం. అదే క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌. దీని రూపకల్పనకు ప్రైవేటు సంస్థలే కాదు.. ప్రభుత్వాలూ పోటీ పడుతున్నాయి. మనదేశం సైతం క్వాంటమ్‌ మిషన్‌ కోసం ఇటీవల పెద్ద మొతాన్ని కేటాయించింది. మనం తక్కువేమీ కాదని చాటి చెప్పింది. ఇంతకీ క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌ అంటే ఏంటి? దీని ప్రత్యేకతేంటి?

కంప్యూటర్లు, ల్యాప్‌టాప్‌లు కొత్తేమీ కాదు. ఒకప్పటితో పోలిస్తే ఇప్పుడివి చాలా వేగంగానూ పనిచేస్తున్నాయి. అలాగని శాస్త్రవేత్తలు సంతృప్తి పడలేదు. వీటిని మించిన సూపర్‌ కంప్యూటర్‌ను సృష్టించారు. అధునాతన ల్యాప్‌టాప్‌ల కన్నా ఇది 10 లక్షల రెట్లు ఎక్కువ వేగంగా పనిచేస్తుంది. ఇదే అద్భుతమనుకుంటే క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ వేగాన్ని అంచనా వేస్తేనే కళ్లు బైర్లు కమ్ముతాయి. ప్రస్తుతం అందుబాటులో ఉన్న అధునాతన సూపర్‌ కంప్యూటర్‌ కన్నా ఇది 16 కోట్ల రెట్లు వేగంగా పనిచేస్తుంది! తేలికగా అర్థమయ్యేలా చెప్పాలంటే- సంప్రదాయ సూపర్‌ కంప్యూటర్‌ 10వేల ఏళ్లలో చేసే పనిని క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ కేవలం నాలుగంటే నాలుగే నిమిషాల్లో పూర్తి చేసేస్తుంది. అందుకే దీనిపై అంత ఆసక్తి. గూగుల్‌, ఐబీఎం, డి-వేవ్‌ సిస్టమ్స్‌, హనీవెల్‌, అయాన్‌-క్యూ, అలీబాబా, రిగెటీ కంప్యూటింగ్‌ వంటి సంస్థలు పరిశోధనల కోసం క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌ వ్యవస్థలను రూపొందించాయి. వీటిని సుస్థిర పరచటానికి కృషి చేస్తున్నాయి. క్వాంటమ్‌ హార్డ్‌వేర్‌ శరవేగంగా మెరుగవుతోంది. సాఫ్ట్‌వేర్‌ కూడా మెరుగైన స్థితికి చేరుకుంటోంది. ఈ నేపథ్యంలో మున్ముందు క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లు అన్ని రంగాల్లో గణనీయమైన మార్పులు తీసుకురానున్నాయని భావిస్తున్నారు. కాబట్టే అమెరికా, చైనా, కెనడా, జర్మనీ, ఫ్రాన్స్‌, ఫిన్‌లాండ్‌ దేశాలు క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌ కోసం ప్రత్యేక కార్యక్రమాలు చేపట్టాయి. ఇప్పుడు మనదేశమూ దీనిపై చొరవ చూపిస్తోంది.

ఏంటీ పరిజ్ఞానం?

క్వాంటమ్‌ సిద్ధాంతం అనేది భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక విభాగం. ఇది అణువులు, వాటిలోని అతి సూక్ష్మ రేణువులతో ముడిపడిన ప్రపంచం. క్వాంటమ్‌ అంటే పరిమాణం అని అర్థం. భౌతికశాస్త్రంలో ఆయా దృగ్విషయాలకు సంబంధించిన అతి చిన్న పరిమాణాన్ని క్వాంటమ్‌గా భావిస్తారు. మనకు కనిపించే దృగ్విషయం వేరు. దీని అంతః స్వరూపం వేరు. దేనినైనా విభజించుకుంటూ పరిశీలిస్తే.. అతి సూక్ష్మ స్థితిలో భౌతిక శాస్త్ర నియమాలు చాలా భిన్నంగా కనిపిస్తాయి. క్వాంటమ్‌ రేణువులు ఒకే సమయంలో వివిధ దశల్లో ఉండొచ్చు. భౌతిక పదార్థం రేణువులుగా, తరంగాలుగా రెండు ధర్మాలనూ ప్రదర్శిస్తుంది. ఉదాహరణకు- కంటికి కనిపించే కాంతిని లోతుగా పరిశీలిస్తే అది ఫోటాన్ల సమాహారమని తేలుతుంది. అంటే ఇది ఒకే సమయంలో రేణువులుగా, తరంగాలుగానూ ప్రవర్తిసుందన్నమాట. ఈ విశిష్టతను ప్రత్యేక హార్డ్‌వేర్‌తో ఒడిసి పట్టటమే క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌ మూల సూత్రం.

అన్నీ విశేషమే

నాసాలో ఉన్న భారీ కంప్యూటర్‌ అయినా.. మన ఒడిలోని ల్యాప్‌టాప్‌ అయినా అన్నీ ఒకేలా పని చేస్తాయి. బైనరీ డిజిట్స్‌ (బిట్స్‌).. అంటే 1 లేదా 0 రూపంలో సమాచారాన్ని నిల్వ చేసుకుంటాయి. విడమరచుకుంటాయి. మనం చేసే ట్వీట్లు, పంపే ఈమెయిళ్లు, యూట్యూబ్‌ వీడియోలు అన్నీ పొడవైన బిట్స్‌తో కూడు కున్నవే. వీటిని చదివి, విశ్లేషించుకోవటం ద్వారానే కంప్యూటర్లు ఆయా పనులు చేసి పెడతాయి. అయితే ఇవి ఒక సమయంలో ఒక పనే చేస్తాయి. కానీ క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ అలా కాదు. ఇవి బిట్స్‌కు బదులు క్వాంటమ్‌ బిట్స్‌ (క్యూబిట్స్‌) సాయంతో పనిచేస్తాయి. సంప్రదాయ బిట్స్‌ 1 లేదా 0 రూపంలో ఉంటే క్యూబిట్స్‌ 1, 0.. లేదా ఒకే సమయంలో రెండు రూపాల్లోనూ ఉండొచ్చు. దీన్నే సూపర్‌ పొజిషన్‌ అంటారు. అంటే క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ ఒక పని పూర్తి కాకుండానే మరో పని మొదలు పెడుతుందన్నమాట. ఒకే సమయంలో రెండు పనులనూ చేయగలదు. ఉదాహరణకు- మీరు ఒక గదిలో ఉన్నారనుకోండి. దానికి బోలెడన్ని తలుపులు ఉన్నాయి. ఒక దానికి తప్ప అన్నింటికీ తాళాలు వేసి ఉన్నాయి. గదిలోంచి బయటకు రావాలంటే ముందుగా తాళం వేయని తలుపేదో తెలుసుకోవాలి. సంప్రదాయ కంప్యూటర్‌ అయితే ఒకో తలుపునూ పరిశీలించు కుంటూ వస్తుంది. అలా తాళం వేయనిదేదో గుర్తిస్తుంది. తలుపుల సంఖ్యను బట్టి దీనికి 5 నిమిషాలు పట్టొచ్చు. 10 లక్షల సంవత్సరాలు పట్టొచ్చు. కానీ క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ అన్ని తలుపులను ఒకే సమయంలో తెరవటానికి ప్రయత్నిస్తుంది. ఇదే అత్యంత వేగాన్ని సంతరించి పెడుతుంది.

ఎంటాంజిల్‌మెంట్‌: క్వాంటమ్‌ రేణువులు ఎంటాంజిల్‌మెంట్‌ అనే విచిత్రమైన ప్రవర్తననూ ప్రదర్శిస్తాయి. ఇదీ క్వాంటమ్‌ పరిజ్ఞానాన్ని విశిష్టమైనదిగా మారుస్తోంది. రెండు క్వాంటమ్‌ రేణువులు ఎంటాంజిల్‌ అయినప్పుడు అవి ఎంత దూరంలో ఉన్నా ఒకదాంతో మరోటి అనుసం ధాన మవుతాయి. ఒక రేణువును మారిస్తే రెండోదీ అలాగే స్పందిస్తుంది. అదీ లక్షలాది మైళ్ల దూరంలో ఉన్నా కూడా. క్వాంటమ్‌ ఎంటాంజిల్‌మెంట్‌ ఎలా, ఎందుకు పనిచేస్తుందనేది తెలియదు. ఐస్‌స్టీన్‌ సైతం దీన్ని ‘సుదూర రహస్య చర్య’గా అభివర్ణించారు. సంప్రదాయ కంప్యూటర్లలో బిట్స్‌ సంఖ్యను రెట్టింపు చేస్తే వాటి శక్తి రెండింతలవుతుంది. కానీ ఎంటాంజిల్‌మెంట్‌ మూలంగా క్యూబిట్లను పెంచితే క్వాంటమ్‌ పరికరాల సామర్థ్యం అనూహ్యంగా పెరిగిపోతుంది.

గూగుల్‌ ఇటీవల సైకమోర్‌ అనే 53 క్యూబిట్‌ ప్రాసెసర్‌తో రాండమ్‌ సంఖ్యను గుర్తించే ప్రయోగాన్ని నిర్వహించింది. సైకమోర్‌ 200 సెకండ్లలోనే పని పూర్తిచేసింది. సంప్రదాయ కంప్యూటర్‌తోనైతే ఇందుకు 10వేల ఏళ్లు  పట్టేది!

చిక్కులు, ఇబ్బందులు

సంప్రదాయ కంప్యూటర్లతో పోలిస్తే క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లు ఎక్కువ తప్పులు చేసే అవకాశం ఉంది. దీనికి కారణం క్వాంటమ్‌ డీకోహెరెన్స్‌. క్వాంటమ్‌ స్థితి అతి సున్నితంగా ఉంటుంది. క్యూబిట్స్‌ చాలావరకు ఎలక్ట్రాన్లు, ఫోటాన్ల వంటి ఉప అణు రేణువులే. వీటిని సృష్టించటం, స్థిరంగా ఉంచటం కష్టమైన పని. చుట్టుపక్కల ఉష్ణోగ్రతలో లేదా కంపనాల్లో స్వల్ప మార్పులు తలెత్తినా పని పూర్తి కాకముందే సూపర్‌పొజిషన్‌ స్థితి నుంచి బయటకు రావొచ్చు. అందుకే బయటి వాతావరణ ప్రభావాలకు లోనుకాకుండా పరిశోధకులు వీటిని అతి శీతల, శూన్య గదుల్లో పెడుతున్నారు. ఇందుకోసం కొన్ని కంపెనీలు సూపర్‌కండక్టింగ్‌ సర్క్యూట్ల సాయంతో అంతర్‌ అంతరిక్షం కన్నా చల్లదనాన్ని సృష్టిస్తున్నాయి. కొన్ని కంపెనీలేమో అత్యధిక శూన్య ఛాంబర్‌లో సిలికాన్‌ చిప్‌ మీద విద్యుత్‌ అయస్కాంత క్షేత్రాల్లోని అణువులను ఒడిసి పడుతున్నాయి. ఈ రెండు పద్ధతులూ నియంత్రింత క్వాంటమ్‌ స్థితిలో క్యూబిట్స్‌ను వేరు చేయటానికి ఉద్దేశించినవే.

ఉపయోగాలేంటి?

క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌ ఇంకా ప్రాథమిక దశలోనే ఉంది. వాణిజ్యపరంగా క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లేవీ ప్రస్తుతానికి అందుబాటులో లేవు. ఇవి సంప్రదాయ కంప్యూటర్లనేమీ తుడిచిపెట్టవు. కానీ పదార్థ శాస్త్రం దగ్గర్నుంచి ఔషధాల వరకు వివిధ రంగాల పరిశోధనల్లో ఇప్పటివరకూ కొరుకుడుపడని ఎన్నో సమస్యలకు చాలా వేగంగా, చవకగా పరిష్కారాలు చూపించగలదు.

* క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ ప్రయోజనాల్లో అన్నింటికన్నా ముఖ్యమైంది అణుస్థాయిలో పదార్థ ప్రవర్తనను సిమ్యులేట్‌ చేయటం. ఫోక్స్‌వాగన్‌ వంటి వాహన తయారీ కంపెనీలు విద్యుత్‌ వాహనాల బ్యాటరీల్లో వాడే రసాయనాల సమ్మేళనాలను సిమ్యులేట్‌ చేయటానికి దీన్ని వాడుకుంటున్నారు. బ్యాటరీల పనితీరును మెరుగు పరిచేందుకు కొత్త దారులు వెతుకుతున్నారు.

* ఔషధ కంపెనీలు కొత్త మందుల రూపకల్పన కోసం రసాయన మిశ్రమాలను పోల్చటానికి, విశ్లేషించటానికి వీటిని ఉపయోగించుకుంటు న్నాయి. సాధారణంగా ఒక మందును కనిపెట్టటానికి 10-15 ఏళ్లు పడుతుంది. ఖర్చూ ఎక్కువే అవుతుంది. సంక్లిష్ట ఔషధాలను సిమ్యులేట్‌ చేయటం ద్వారా క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లు దీన్ని సులభం చేయగలవు.

* ఎయిర్‌బస్‌ సంస్థ తక్కువ ఇంధనంతో విమాన రాకపోకలకు తోడ్పడే దారులను గుర్తించటానికి ప్రయత్నిస్తోంది.

ఐన్‌స్టీన్‌ నుంచే మొదలు

క్వాంటమ్‌ రేణువుల ప్రస్తావన ఐన్‌స్టీన్‌ కాలం నుంచే మొదలైంది. ఆయన 1905లో ఫొటోఎలక్ట్రిక్‌ ప్రభావం గురించి వర్ణిస్తూ కాంతిలో ప్రత్యేక క్వాంటమ్‌ రేణువులు లేదా ఫొటాన్లు ఉన్నాయని సూచించారు. అయితే నోబెల్‌ గ్రహీత రిచర్డ్‌ ఫేన్‌మ్యాన్‌ 1981లో ఇచ్చిన ఉపనాస్యంతోనే క్వాంటమ్‌ కంప్యూటింగ్‌ చరిత్ర మొదలైందని చెప్పుకోవచ్చు. క్వాంటమ్‌ వ్యవస్థల పరిణామాన్ని సిమ్యులేట్‌ చేయటం సంప్రదాయ కంప్యూటర్లతో సాధ్యం కాదని, ఇందుకు క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లను రూపొందించాల్సిన అవసరముందని ఆయన అభిప్రాయపడ్డారు. కానీ క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లపై దృష్టి మళ్లటానికి మరో పదేళ్లు పట్టింది. 1994లో పీటర్‌ షార్‌ ప్రత్యేక ఆల్గోరిథమ్‌ను రూపొందించటం దీనికి బీజం వేసింది. ఇది పెద్ద పూర్ణాంకాలను చాలా వేగంగా, సమర్థంగా శ్రేణులుగా మార్చటానికి వీలు కల్పించింది. లోవ్‌ గ్రోవర్‌ 1996లో క్వాంటమ్‌ డేటాబేస్‌ను శోధించే ఆల్గోరిథమ్‌ను కనుగొన్నారు. రెండు క్యూబిట్లతో కూడిన క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ను 1998లో తయారుచేశారు. అనంతరం కంప్యూటర్‌ శక్తిని పెంచే ప్రయత్నాలు ముమ్మరమయ్యాయి. కొత్త కొత్త అప్లికేషన్లు పుట్టుకొచ్చాయి. ఐబీఎం సంస్థ 2017లో మొదటిసారిగా వాణిజ్యపరంగా వాడుకోవటానికి అనువైన క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్‌ను ఆవిష్కరించింది.