संगणन क्षेत्रातील ‘क्वांटम’ झेप!

कृत्रिम प्रज्ञा, सायबर सुरक्षा, औषधनिर्माण, लॉजिस्टिक्स, वित्तीय सेवा अशा मानवी जीवनाच्या विविध अंगांना स्पर्श करणाऱ्या क्षेत्रांवर दूरगामी परिणाम करू शकणाऱ्या या तंत्रज्ञानाचा ऊहापोह करणे आणि त्यामुळे नजीकच्या भविष्यात, विशेषत: संगणन क्षेत्रात होऊ शकणारे बदल अभ्यासणे म्हणूनच सयुक्तिक ठरावे. एकविसाव्या शतकात संगणनक्षेत्र (‘कॉम्पुटिंग’) आणि या क्षेत्राचा डोलारा ज्यावर उभा आहे, त्या सेमीकंडक्टर चिपनिर्मिती क्षेत्रावर एकंदरीतच मानवाचे अवलंबित्व प्रचंड प्रमाणावर वाढले आहे. एक प्रौढ व्यक्ती दिवसभरात जी उपकरणं हाताळते, त्यातील एकही उपकरण सेमीकंडक्टर चिपशिवाय क्षणभरसुद्धा चालणार नाही.

आजही पारंपरिक चिपनिर्मिती क्षेत्रात (म्हणजेच सिलिकॉन किंवा जर्मेनियम या अर्धसंवाहकांपासून बनवलेल्या चिप) नावीन्यपूर्ण संशोधन जोमाने सुरू आहे. ‘एआय’, मशीन लर्निंगसाठी आवश्यक अशा आणि प्रचंड मोठ्या प्रमाणातील विदेच्या (डेटा) पृथक्करणाची क्षमता असलेल्या एनव्हीडिया किंवा एएमडीच्या ‘जीपीयू’ चिप, टीएसएमसी किंवा इंटेलकडून दोन नॅनोमीटरपेक्षाही कमी टेक्नॉलॉजी नोडवर निर्मिलेल्या व प्रचंड गणनक्षमता असलेल्या चिप, अॅपल, क्वॉलकॉमसारख्या कंपन्यांकडून काही विशिष्ट कार्यांसाठी (नेटवर्किंग, मोबाइल संगणन इत्यादी) आरेखन होत असलेल्या चिप, अशी अनेक उदाहरणं देता येतील. अशा परिस्थितीत क्वांटम चिपच्या आगमनामुळे या क्षेत्रात कोणत्या स्वरूपाचे आमूलाग्र परिवर्तन घडून येऊ शकते? या प्रश्नाला भिडण्याकरिता सर्वप्रथम पारंपरिक आणि क्वांटम संगणन क्षेत्र तसेच या दोन भिन्न तंत्रज्ञानांच्या आधारे निर्माण झालेल्या चिपमधील मूलभूत फरक समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.

आज वापरात असलेली कोणतीही सेमीकंडक्टर चिप विदेचं पृथक्करण किंवा साठवणुकीसाठी द्विमान (बायनरी) गणन पद्धतीचा (‘०’ व ‘१’अंक किंवा बिट्सचा वापर करून) अवलंब करते. वास्तविक कोणत्याही चिपमध्ये हे दोन अंक प्रत्यक्षात अस्तित्वात नसतातच. सेमीकंडक्टरच्या विद्युत संवाहनाच्या विशिष्ट भौतिक गुणधर्माचा वापर करून त्याचा स्विच तयार केला की काम सोपे होते. जेव्हा विद्युतप्रवाहाला संपूर्णपणे अवरोध केला आहे अशा स्विच बंद असलेल्या स्थितीला शून्य (०) स्तर आणि जेव्हा विद्याुतप्रवाहाचे वहन नियमितपणे चालू आहे अशा स्विच चालू असलेल्या स्थितीला एक (१) स्तर असे संबोधून द्विमानपद्धतीने ‘बिट्स’च्या स्वरूपात विदा साठवता येते. डिजिटल उपकरणामध्ये विराजमान झालेल्या कोणत्याही चिपमध्ये अक्षरश: असे कोट्यवधी स्विचेस असतात, ज्यात कोट्यवधी बिट्सच्या विदेचा एका वेळेला संचय तसेच पृथक्करण करता येते.

क्वांटम संगणनपद्धती क्वांटम भौतिकीच्या नियमानुसार कार्य करत असल्याने विदा संचय व विश्लेषणाच्या प्रक्रियेपासूनच ती पारंपरिक चिप तंत्रज्ञानापासून फारकत घेते. क्वांटम संगणक आपली विदा ‘क्यूबिट्स’मध्ये (क्वांटम बिट्सचं लघुरूप) साठवतो. सेमीकंडक्टर चिप तंत्रज्ञानात एक बिट साठवण्यासाठी एका डिजिटल स्विचचा वापर होत असल्याने त्यात केवळ दोनच अंक (आणि तेदेखील एका वेळी एकच, ‘०’ किंवा ‘१’) साठवता येतात. पण क्वांटम चिप मात्र क्वांटम यांत्रिकीच्या (मेकॅनिक्स) ‘सुपरपोजिशन’ नियमाचा वापर करून एका क्यूबिटमध्ये एकाच वेळेस ‘०’, ‘१’ किंवा त्यामधलेही अनेक स्तर साठवून त्यावर प्रक्रिया करू शकते.

क्वांटम चिपचा दुसरा महत्त्वाचा गुणधर्म म्हणजे क्यूबिट्समध्ये अतिजलद संगणनासाठी होणारा क्वांटम यांत्रिकीच्या ‘एनटँगलमेंट’ तत्त्वाचा वापर! या तत्त्वानुसार दोन किंवा अधिक क्यूबिट्स परस्परांशी निगडित (इंटरलिंक्ड) राहू शकतात, ज्यामुळे एका क्यूबिटमध्ये बदल केल्यास त्याच्याशी निगडित अशा इतर सर्व क्यूबिट्सवर त्याचा त्वरित परिणाम होतो. साहजिकच या दोन गुणधर्मांमुळे क्वांटम चिपची गणनक्षमता पारंपरिक चिपपेक्षा कित्येक पटींनी जास्त असते पण त्याचबरोबर ती सेमीकंडक्टर चिपपेक्षा निश्चितपणे अधिक माहिती हाताळू शकते. गूगल विलो चिपवर (ज्यात केवळ १०५ क्यूबिट्स आहेत) काही संशोधकांनी केलेल्या प्रयोगांमध्ये त्यांना असं आढळलं की संगणकीयदृष्ट्या काही जटिल प्रक्रिया (उदा. रँडम सर्किट सॅम्पलिंग), ज्या आजच्या अतिप्रगत संगणकाच्याही आवाक्याबाहेरच्या आहेत त्या विलोने काही मिनिटांतच पूर्ण केल्या. येत्या काळात क्वांटम चिप ही संगणन क्षेत्रात केवढी मोठी क्रांती घडवू शकते याची ही केवळ एक झलक आहे.

आज क्वांटम संगणन क्षेत्रातील संशोधन जोमाने सुरू आहे. गूगल, आयबीएम, मायक्रोसॉफ्ट या दिग्गजांच्या अनुक्रमे ‘विलो’, ‘मॅजोराना १’ आणि ‘ईगल’ क्वांटम चिप्स निर्मितीच्या विविध टप्प्यांवर आहेत. आज जरी त्या १०० ते १००० क्यूबिट्स क्षमतेच्या असल्या तरी दशकभरात त्यांची मजल १० लाख क्यूबिट्सपर्यंत जाण्याची शक्यता या क्षेत्रातील तज्ज्ञ व्यक्त करत आहेत. इंटेल, टीएसएमसी, सॅमसंग या सेमीकंडक्टर चिपनिर्मितीमधल्या आघाडीच्या कंपन्या आज जरी व्यावसायिक क्वांटम चिपनिर्मितीपासून पुष्कळ दूर असल्या तरीही त्यासाठी लागणारे हार्डवेअर व इतर उपकरणांची चाचपणी करण्यास त्यांनी सुरुवात केली आहे.

‘क्वांटम मशीन्स’, ‘डी-वेव्ह’ सारख्या क्वांटम संगणनक्षेत्रात मूलभूत संशोधन करणाऱ्या कंपन्यांना जोखीम भांडवलदारांकडून (व्हेंचर कॅपिटलिस्ट) गेल्या एखाद दोन वर्षांत सढळ हस्ते भांडवल मिळत आहे. त्याचबरोबर वित्तीय सेवा तसेच औषधनिर्माण क्षेत्रातील बलाढ्य कंपन्यांनी क्वांटम चिपचा वापर आपल्या व्यवसाय वृद्धीसाठी कसा करून घेता येईल याची चाचपणी करण्यास सुरुवात केली आहे. गोल्डमन सॅक्सने सुधारित आर्थिक अंदाज बांधणीसाठी (फायनान्शिअल मॉडेलिंग) आयबीएमसोबत किंवा फायजरने जनुकीय पदार्थांच्या संशोधनाद्वारे नव्या औषधांच्या निर्मितीसाठी गूगलसोबत केलेली भागीदारी याच गोष्टींची द्याोतक आहे. गेल्या वर्ष-दोन वर्षांत झालेल्या या घडामोडी हे तंत्रज्ञान भविष्यवेधी आहे याची खात्री पटण्यास पुरेशा आहेत.

म्हणून हे जाणणे महत्त्वाचे आहे की संगणन आणि चिपनिर्मिती क्षेत्रातील हे नवे तंत्रज्ञान येत्या दशकभरात कितपत उलथापालथ घडवेल? सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानावर आधारित पारंपरिक चिपनिर्मिती अस्तंगत होईल का? भारतासारखा देश- जो आज चिप पुरवठा साखळीत स्वत:चे स्थान निर्माण करण्यासाठी धडपडतो आहे- त्याच्यासाठी ही एक धोक्याची घंटा आहे का? क्वांटम चिपसारख्या नवोन्मेषी आणि अत्याधुनिक तंत्रज्ञानाबद्दल कोणतेही भाकीत वर्तवणे धोक्याचे असले तरीही सध्याच्या परिस्थितीत हे तंत्रज्ञान पारंपरिक चिपनिर्मितीला हद्दपार करणार नाही, असे खात्रीने म्हणता येईल.

क्वांटम भौतिकीची बलस्थानेच तिच्या मर्यादाही आहेत. सुपरपोझिशन आणि एनटँगलमेन्टमुळे चिपची क्षमता कित्येक लाख पटींनी जरी वाढत असली तरीही एका क्यूबिटमध्ये एकाच वेळेला अनेक स्तर साठवता येत असल्यामुळे त्या संवेदनशीलही होतात. त्यामुळे संचय केलेली विदा आणि प्रक्रिया करतानाच्या वेळची विदा सारखीच असेल याची खात्री देता येत नाही. क्वांटम संगणनामधली अस्थैर्याची ही त्रुटी दूर करणे या क्षेत्रासमोरचे एक न सुटलेले आव्हान आहे. क्वांटम भौतिकीच्या नियमाबरहुकूम कार्य सिद्धीस नेण्यासाठी उच्च तापमान नियंत्रणाची आत्यंतिक गरज असते, ज्याला तांत्रिक भाषेत क्रायोजेनिक कूलिंग असे म्हटले जाते. क्वांटम चिप्स अत्यंत कमी तापमानातच (० केल्विन किंवा उणे २७३ डीग्री सेल्सियस) कार्य करू शकतात व त्यासाठी विशेष रेफ्रिजरेशन प्रणालीची गरज भासते. क्वांटम संगणनासाठी लागणाऱ्या सॉफ्टवेअर प्रणाली आणि अल्गोरिदम अजूनही प्रायोगिक अवस्थेत आहेत. या कारणांमुळे उपलब्ध तंत्रज्ञानाच्या मदतीने घाऊक प्रमाणावर आणि किफायतशीर पद्धतीने क्वांटम चिपनिर्मिती करणे सध्या तरी अशक्य आहे.

आज या क्षेत्रात कार्यरत संशोधक आणि कंपन्या क्वांटम चिपच्या भविष्याचे वेगवेगळ्या पद्धतींनी चित्र रेखाटत असल्या तरीही एका बाबतीत मात्र त्यांचं मतैक्य झालेलं आहे. ते म्हणजे निकट भविष्यात क्वांटम आणि पारंपरिक सेमीकंडक्टर चिप्सना ‘हायब्रीड मॉडेल’ वापरण्यावाचून पर्याय नाही. थोडक्यात, ‘जनरल पर्पज’ सेमीकंडक्टर चिप संगणकाची दैनंदिन कामांची गरज भागवतील तर क्वांटम चिप संगणकांना काही विशेष गुंतागुंतीच्या समस्या (एआय, क्रिप्टोग्राफी, जटिल अल्गोरिदम) सोडवण्यासाठी लागणारी कार्यक्षमता बहाल करतील. एकंदरीत, संगणन क्षेत्रात क्वांटम तंत्रज्ञान येत्या दशकभरात कोणती क्रांती घडवेल, हे पाहणे औत्सुक्यपूर्ण असणार आहे.

– अमृतांशु नेरुरकर

चिप उद्याोगात कार्यरत तज्ज्ञ

amrutaunshu@gmail.com