Ilango Arasiyal

குவான்டம் கணினி உருவாகிறது!
---------------------------------------------------
பி இளங்கோ சுப்பிரமணியன்
நியூட்டன் அறிவியல் மன்றம்
------------------------------------------------
குவான்டம் கணினி இன்னமும் உருவாக்கப் படவில்லை.
உருவாக்கம் நிகழ்ந்து கொண்டே இருக்கிறது. அது
முழுமை அடையும்போது மனித குல வரலாறு இதுவரை
கண்டிராத மகத்தான ஒரு படைப்பாக அது இருக்கும்.

தற்போதைய கணினிகள் சூப்பர் கணினி (super computer)
வகையைச் சார்ந்தவை. சார்லஸ் பாபேஜ் காலத்துக்
கணினிகள், பல தலைமுறைகளின் வளர்ச்சியைக்
கண்ட பிறகு இன்றைய சூப்பர் கணினிகள் வந்துள்ளன.

ஒரு கணினியின் சிறப்பு அதன் கணக்கிடும் வேகத்தைப்
பொறுத்தது. அதாவது ஒரு கணினியின் செயலி (processor)
ஒரு வினாடிக்கு எத்தனை அறிவுறுத்தல்களை (instructions)
ஏற்றுச் செயல்பட வல்லது என்பதே ஒரு கணினியின்
வேகத்தைத் தீர்மானிக்கும் காரணி ஆகும். இது முன்பு
மிப்ஸ் (MIPS = Million Instructions Per Second) என்ற அளவால்
அளக்கப் பட்டது.

தற்போது ஒரு சூப்பர் கணினியின் செயல்பாட்டுத்
திறன் (performance) ஃபிலாப்ஸ்
(FLOPS = Floating Point Operations Per Second)
என்ற அளவால் அளக்கப் படுகிறது. இங்கு Floating Point
என்பது FA எனப்படும் Floating point Arithmeticஜக் குறிக்கும்.

12ஆம் வகுப்பு இயற்பியல் பாடப் புத்தகங்களில்
எண்களை அறிவியல் குறியீட்டு முறையில்
(Scientific Notation) எழுதுவது பற்றிய பாடம் இருக்கும்.
உதாரணமாக, 3575 என்ற எண்ணை 3.575 x 10^3 என்று
எழுதலாம். இப்படி எழுதுவது அறிவியல் குறியீட்டு
முறைப்படி எழுதுவதாகும். FP (Floating point Arithmetic)
என்பது மெய்யெண்களை அறிவியல் குறியீட்டு
முறை போன்று எழுதும் ஒரு முறை என்று புரிந்து
கொள்ளலாம். நிற்க.

தற்போதைய சூப்பர் கணினிகளின் செயல்பாட்டுத் திறன்
மெகா, கிகா, டெரா, பீட்டா ஆகியவற்றைத் தாண்டி
எக்சா (exa) என்ற அளவை எட்டிக் கொண்டிருக்கின்றன.
அதாவது exa FLOPS (exa = 10^18) என்ற அளவிலான சூப்பர்
கணினிகள் இன்று தயாரிப்பில் உள்ளன.
10^18 என்பது குவின்டிலியன் (quintillion) ஆகும். இது
மிகப்பெரிய பேரெண் ஆகும். தமிழில் லட்சம், கோடி
ஆகியவற்றையே பேரெண்களாக நடைமுறையில்
கொண்டிருக்கும் நாம் சற்று முயன்றுதான் குவின்டிலியன்
என்பதைப் புரிந்து கொள்ளவேண்டும்.

இன்றைய காலக்கட்டம் செவ்வியல் கணினிகளில்
இருந்து குவான்டம் கணினிகளுக்கு மாறிச் செல்லும்
ஒரு காலக்கட்டம் ஆகும். குவான்டம் கணினிகள் ஏன்
தேவைப் படுகின்றன? கணினித் தயாரிப்பின்போது
ஒரு உண்மை கண்டறியப் பட்டது.

டிரான்சிஸ்டர்களின் அளவை (size) வெகுவாகக்
குறைத்து, அவற்றை ஒன்றின் மீது ஒன்று மிக
நெருக்கமாக அடுக்கி, ஒரு சில்லுக்குள் (chip)
புதைப்பதுதான் கணினித் தயாரிப்பு. இதில்
என்னதான் டிரான்சிஸ்டர்களின் அளவைக்
குறைத்துக் கொண்டே வந்தாலும் ஒரு வரம்புக்கு
மேல் குறைக்க இயலாது. அது போல நெருக்கமாக
அடுக்கும்போதும் ஒரு வரம்புக்கு மேல் நெருக்கம்
கைகூடாது.  இதன் காரணமாக கணினியின்
செயல்பாட்டுத் திறனுக்கு, அதாவது வேகத்துக்கு
ஒரு வரம்பு ஏற்பட்டு விடுகிறது. இந்த வரம்பைத்
தாண்டாமல் இதற்கு மேல் வேகம் கொண்ட
கணினிகளை உருவாக்க இயலாது. இந்த உண்மை
புரிந்த உடனே, அதாவது செவ்வியல் கணினிகளின்
வேக வரம்பை அறிந்ததுமே, இதன் அடுத்த கட்ட
வளர்ச்சியான குவான்டம் கணினிகளின் தேவை
உணரப்பட்டது. அதற்கான ஆய்வுகள் நடந்து
வருகின்றன. உருவாக்கம் நடந்து வருகிறது.

கூகிள், அமேசான், மைக்ரோசாப்ட், ஐபிஎம்,
ரிகெட்டி கம்ப்யூட்டிங் ஆகிய நிறுவனங்கள்
குவான்டம் கணினித் தயாரிப்பில் ஈடுபட்டு
வருகின்றன. குவான்டம் கணினி உருவாக்கம்
முழுமை அடைந்து விடுமானால், குறிப்பாக
செயற்கை நுண்ணறிவுத் துறையில் அது பெரும்
பயனை விளைவிக்கும்.

உலகப்புகழ் பெற்ற அறிவியல் இதழான நேச்சர் இதழில்
கூகிள் நிறுவனம் குவாண்டம் கணினி குறித்து ஒரு
கட்டுரையை எழுதி இருந்தது. அதில் 53 கியூபிட் (qubit)
கொண்ட ஒரு செயலி (processor) மூலமாக தாங்கள்
குவாண்டம் மேலாண்மையை (quantum supremacy) அடைந்து
விட்டதாக அக்கட்டுரையில் கூகிள் உரிமை கோரி
இருந்தது.

தங்களின் 53 கியூபிட் கொண்ட செயலியால் செய்ய
முடிந்த வேலையை, உலகின் தலைசிறந்த செவ்வியல்
கணினியால் செய்து முடிப்பதற்கு 10,000 ஆண்டுகள்
ஆகும் என்று கூகிள் நிறுவனம் அக்கட்டுரையில்
கூறி இருந்தது.

இது மிகவும் சிறுபிள்ளைத் தனமான உயர்வு நவிற்சி அணி
என்று கூகிளின் கூற்றை மறுக்கிறது அதன் போட்டி
நிறுவனமான ஐபிஎம் (IBM). இந்நிறுவனமும்
53 கியூபிட்டுகளைக் கொண்ட ஒரு செயலியை உருவாக்கி
வருகிறது.

கியூபிட் என்றால் என்ன?
----------------------------------------
செவ்வியல் கணினிகளில் பிட் (bit) என்பது தகவலின்
அடிப்படை அலகைக் குறிக்கும். ஒரு பிட் என்பது
0 என்ற நிலையிலோ அல்லது 1 என்ற நிலையிலோ
இருக்கும் (either at 0 state or at 1 state). அதாவது ஒரு நேரத்தில்
ஒரு நிலையில் மட்டுமே இருக்கும்.

கியூபிட் என்பது 0 என்ற நிலையில் இருக்கும். அல்லது
1 என்ற நிலையில் இருக்கும். அத்துடன் ஒரே நேரத்தில்
0, 1 ஆகிய இரண்டு நிலைகளிலும் இருக்கும். அதாவது
ஒரே நேரத்தில் இரண்டு நிலைகளின் சேர்க்கையாக
இருக்கும். அது எப்படி ஒரே நேரத்தில் இரண்டு நிலைகளில்
இருக்க முடியும் என்று நமது பகுத்தறிவு கேள்வி எழுப்பும்.
ஆனால் குவான்டம் இயற்பியலில் அப்படித்தான்.

ஒரே நேரத்தில் இரண்டு நிலைகளில் இருப்பதை
குவான்டம் ஒன்றிப்பு (quantum superposition) என்கிறது
குவான்டம் இயற்பியல். அதாவது ஒரு கியூபிட் என்பது
0, 1 என்னும் இரண்டு நிலைகளின் ஒன்றிப்பைக் கொண்டது.

ஒரே நேரத்தில் 0, 1 என்னும் இரண்டு நிலைகளின்
சேர்க்கையாக ஒரு கியூபிட் இருப்பதால், 0, 1 ஆகியவற்றின்
சராசரி மதிப்பை ஒரு கியூபிட் கொண்டிருக்கும் என்று
புரிந்து கொள்ளக் கூடாது. இது மிகப்பெரிய
பிறழ்புரிதல் ஆகும்.

ஒரு கியூபிட்டானது 0 என்ற நிலையில் இருப்பதற்கான
நிகழ்தகவும், 1 என்ற நிலையில் இருப்பதற்கான
நிகழ்தகவும் கணக்கிடப்பட்டுள்ளன. ஒரு கியூபிட்டை
அளக்கும்போது மட்டுமே (during measurement) அது என்ன
நிலையில் இருக்கிறது என்பதை அறிய முடியும்.
அளப்பதற்கு முன் அது இரண்டு நிலைகளிலும்
ஒரே நேரத்தில் இருக்கும்; அதாவது குவான்டம்
ஒன்றிப்பில் இருக்கும். இங்கு அளப்பது (measuring)
என்பதை அன்றாட வாழ்வின் சாதாரண அர்த்தத்தில்
எடுத்துக் கொள்ளக் கூடாது. குவான்டம் இயற்பியலில்
அளத்தல் சிக்கல் (measurement problem) என்பது பெரும்
முக்கியத்துவம் உடையது.

எப்படி இருப்பினும், ஒரு நாள் குவான்டம் கணினிகள்
கடைத்தெருவுக்கு வரத்தான் போகின்றன.அப்போது
ஒரே நேரத்தில் ஒரு கியூபிட் எப்படி 0, 1 என்ற இரண்டு
நிலைகளின் ஒன்றிப்பாக இருக்கிறது என்பதைப்
புரிந்து கொள்ள முடியும்.

கியூபிட்டுகளும் தற்சுழற்சியும்!
----------------------------------------------------
கியூபிட்டுகளைப் புரிந்து கொள்ள ஏதுவாக
அணுக்கருத் தற்சுழற்சி (nuclear spin) குறித்தும்
எலக்ட்ரானின் தற்சுழற்சி (electron spin) குறித்தும் சிறிதளவு
அறிந்து கொள்வோம். அணுக்கருத் தற்சுழற்சி என்பதன்
மூலம் நாம் அணுக்கருவின் ஒட்டு மொத்தக் கோண
உந்தத்தையே (total angular momentum) பொருள் கொள்கிறோம்.

எதிர் எதிரான இரண்டு திசைகளில் எலக்ட்ரான்கள் தற்சுழற்சி
(spin) கொள்கின்றன. அவற்றுக்கு உள்ளார்ந்த கோண உந்தம்
(intrinsic angular momentum) உண்டு.

துகள்களின் தற்சுழற்சி குறித்த பரிசோதனைகள் கடந்த
80 ஆண்டுகளாகவே நடந்து வருகின்றன. ஒரு சீரான காந்தப்
புலத்தில் மாற்றத்தை ஏற்படுத்த வல்லவை இத்துகள்கள்.
இதன் விளைவாக ஒரு குறிப்பிட்ட ஆற்றலானது பல்வேறு
ஆற்றல் மட்டங்களாகப் பிரிவது சாத்தியப் படுகிறது
இந்நிகழ்வே காந்த ஒத்திசைவு (magnetic resonance) என்று
அறியப் படுகிறது. இது சார்ந்த பல்வேறு உத்திகள் (techniques)
கண்டறியப் பட்டுள்ளன. இன்று மருத்துவத்தில் பெரிதும்
பயன்படும் MRI scan என்பது காந்த ஒத்திசைவு உத்தியே.

இவ்வாறான வளர்ச்சியின் போக்கில், இன்று ஒரு ஒற்றை
எலக்ட்ரானின் தற்சுழற்சியோ அல்லது ஒரு ஒற்றை
அணுக்கருவின் தற்சுழற்சியோ வலிமையானதொரு
கியூபிட்டாகப் பயன்படும் நிலை உருவாகி உள்ளது.
இதற்குக் காரணம் ஒரு துகளின் தற்சுழற்சியானது
தன்னுடைய குவான்டம் நிலையில் மாற்றமின்றி 
நிலைத்திருப்பதுதான் (having a stable quantum state)
இருப்பதுதான். வெளியில் இருந்து எவ்வளவு இடையூறுகள்
ஏற்பட்டாலும் கூட, அதனால் பாதிக்கப் படாமல்
துகள்களின் தற்சுழற்சி பெரிதும் நிலைபேறு உடையதாக
இருப்பதாலாயே இவை கியூபிட்டுகளாகப் பயன்படுகின்றன.

குறிப்பாக, எலக்ட்ரானின் தற்சுழற்சியை (electron spin)
குவான்டம் கணினியின் செயலியில் (processor)
பயன்படுத்தலாம். ஏனெனில் அது மிகவும் குறைவான
நேரத்தில் பிற தற்சுழற்சிகளுடன் இணைந்து கொள்ளும்.
அது போல, அணுக்கருத் தற்சுழற்சியை குவான்டம்
கணினியின் நினைவகத்தில் (memory) பயன்படுத்தலாம்.
இது ஒரு கட்டத்தில் (phase) வேறொரு கட்டத்திற்கு
மாற்றும்போது சற்று அதிக நேரம் எடுத்துக் கொள்வதால்
இதன் கட்ட மாற்றத்தை முன்கணிக்க முடியும்.
     

இந்தியப் பள்ளிகள் அனைத்திலும், CBSE பள்ளிகள்

உட்பட, 12ஆம் வகுப்பு வரை குவான்டம் இயற்பியல்
பாடத்திட்டத்தில் இல்லை. எனவே கல்லூரி
மட்டத்திலான புத்தகங்களைப் படிப்பதன்
வாயிலாகவே ஒருவர் குவான்டம் இயற்பியல்
குறித்த அடிப்படைகளைக் கற்க முடியும். அந்த
அடிப்படைகளைக் கற்றிருந்தால் இக்கட்டுரை
எளிதில் புரியும்.

அல்லது அத்தகைய அடிப்படைகளைக் கற்பதற்கு
இக்கட்டுரை ஒரு உந்துவிசையாக அமையும். ஆக
இக்கட்டுரையும் கூட, ஒரு கியூபிட்டைப் போல,
இரண்டு நிலைகளின் ஒன்றிப்பாக இருக்கிறது
என்று கூறலாம் அல்லவா!
************************************************