এই ব্লগ পোস্টে আমরা কোয়ান্টাম কম্পিউটারের বিকাশের প্রেক্ষাপট, এর মূলনীতি ও বর্তমান অবস্থা নিয়ে আলোচনা করব এবং এর তাৎপর্য তুলে ধরব।
কোয়ান্টাম কম্পিউটার? উফ্...
যারা হাই স্কুলে পদার্থবিজ্ঞান পড়েছেন, তারা সম্ভবত ‘কোয়ান্টাম’ শব্দটি শুনলেই আঁতকে উঠবেন। আপনি হয়তো ভাববেন, “আমরা এখন যে কম্পিউটারগুলো ব্যবহার করি সেগুলো যথেষ্ট দ্রুত এবং ভালো…” কিন্তু মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের আইবিএম-সহ উন্নত দেশগুলোর শীর্ষস্থানীয় গবেষণা প্রতিষ্ঠানগুলো কোয়ান্টাম কম্পিউটার নিয়ে গবেষণা করার জন্য প্রতিযোগিতায় নেমেছে। অন্য কথায়, মানব সভ্যতার ভবিষ্যৎ উন্নয়নের জন্য কোয়ান্টাম কম্পিউটারকে একটি অপরিহার্য উপাদান হিসেবে বিবেচনা করা হয়। এই প্রবন্ধে আমি কোয়ান্টাম কম্পিউটার তৈরির প্রেক্ষাপট, এর মূলনীতি এবং এর বর্তমান অবস্থা ব্যাখ্যা করব। একবিংশ শতাব্দীতে মানব সভ্যতার সামনে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ চ্যালেঞ্জ কোনটি?
বিভিন্ন কম্পিউটার আর্কিটেকচার থাকলেও, আমরা বর্তমানে ভন নিউম্যান আর্কিটেকচার ব্যবহার করি। ভন নিউম্যান আর্কিটেকচার হলো সেই কাঠামো যা কম্পিউটারের জন্য প্রস্তাবিত অভ্যন্তরীণ মেমরি-ভিত্তিক অনুক্রমিক প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতিকে সর্বপ্রথম বাস্তবায়ন করেছিল; এর বৈশিষ্ট্য হলো এর একটি নির্দেশাবলী সেট, যা ক্রমানুসারে নির্দেশাবলী সম্পাদন করে এবং নির্দিষ্ট মেমরি অবস্থানে থাকা মান পরিবর্তন করে।
ইলেকট্রনিক্সে যুগান্তকারী অগ্রগতির ফলে এই কম্পিউটারগুলোর গণনা ক্ষমতা ক্রমাগত বৃদ্ধি পেয়েছে। মুরের সূত্র অনুসারে—যা বলে যে কম্পিউটারের মেমরি ধারণক্ষমতা প্রতি ১৮ মাসে দ্বিগুণ হয়—মনে হচ্ছে কম্পিউটারের মেমরি অনির্দিষ্টকালের জন্য বাড়তে থাকবে। তবে, মুরের সূত্রেরও একটি তাত্ত্বিক সীমা আছে যা অতিক্রম করা যায় না। বর্তমানে, মেমরির একটি একক বিটের আকার একটি পরমাণুর চেয়ে অনেক বড়, কিন্তু যদি মুরের সূত্র সত্যি হয়, তাহলে ২০২০ সাল নাগাদ মেমরির একটি একক বিট তৈরি করতে একটি একক পরমাণু ব্যবহার করতে হবে। মুরের সূত্র যতই সত্যি প্রমাণিত হোক না কেন, এটি এই পর্যায়ে পৌঁছাতে পারবে না। এর কারণ হলো, পারমাণবিক স্তরে কোয়ান্টাম ঘটনাগুলো জোরালোভাবে দৃশ্যমান হয়ে ওঠে এবং চিরায়ত ভৌত ঘটনাগুলো—যা বর্তমান কম্পিউটার উৎপাদনের ভিত্তি—আর প্রযোজ্য থাকে না।
পারমাণবিক স্কেলের অত্যন্ত ক্ষুদ্র জগতে প্রায়শই এমন সব ঘটনা ঘটে যা আমাদের সাধারণ জ্ঞান দিয়ে বোঝা কঠিন; এগুলোকে কোয়ান্টাম ফেনোমেনা বলা হয়। অদ্ভুত সব ঘটনা ঘটে, যেমন এক জায়গায় থাকার পর হঠাৎ এক জায়গায় কণার আবির্ভাব, অথবা একই সাথে দুই বা ততোধিক স্থানে তাদের উপস্থিতি। মেমরি বিটের আকার পারমাণবিক স্কেলে সংকুচিত হওয়ার সাথে সাথে ভন নিউম্যান-ধাঁচের কম্পিউটারগুলো সীমাবদ্ধতার সম্মুখীন হচ্ছে, কারণ এই কোয়ান্টাম ফেনোমেনাগুলো সংরক্ষিত ডেটা অদৃশ্য করে দিতে পারে অথবা সার্বিক নিয়ন্ত্রণ কঠিন করে তুলতে পারে। ফলস্বরূপ, গবেষকরা ধারণক্ষমতা বাড়ানোর জন্য সংগ্রাম করছেন এবং তাদের মূল লক্ষ্য হলো কোয়ান্টাম ফেনোমেনাগুলো দূর করার উপায় খুঁজে বের করা।
তবে, কোয়ান্টাম কম্পিউটার কোয়ান্টাম ঘটনাকে নির্মূল করার প্রচেষ্টা থেকে জন্ম নেয়নি, বরং এটি একটি সক্রিয় ধারণা থেকে উদ্ভূত হয়েছে যা দৃষ্টিভঙ্গিকে পুরোপুরি পাল্টে দেয়: কোয়ান্টাম ঘটনাকে কাজে লাগানো।
কোয়ান্টাম ঘটনা, যা কোয়ান্টাম কম্পিউটারের পেছনের মূলনীতি, বলতে আণুবীক্ষণিক জগতে সংঘটিত ঘটনাগুলোকে বোঝায়। বিশেষত, কোয়ান্টাম কম্পিউটার এই ধর্মটিকে কাজে লাগায় যে, কণাগুলো পর্যবেক্ষণ করার আগ পর্যন্ত একই সাথে দুই বা ততোধিক অবস্থায় থাকতে পারে। এর অর্থ হলো, কোয়ান্টাম কম্পিউটার তথ্যের একক হিসেবে বিটের পরিবর্তে “কিউবিট”—অর্থাৎ কোয়ান্টাম বিট—ব্যবহার করে। যেখানে একটি বিট ০ অথবা ১ যেকোনো একটিকে প্রকাশ করতে পারে, সেখানে একটি কিউবিট উভয় অবস্থার উপরিপাতনে থাকতে পারে, যা এটিকে একই সাথে ০ এবং ১ উভয়কে নিয়ে গণনা সম্পাদন করার সুযোগ দেয়।
প্রতিটি ইলেকট্রনের একটি স্বতন্ত্র ঘূর্ণন দিক থাকে, এবং কোয়ান্টাম কম্পিউটার সাধারণত এই ঘূর্ণন দিকটি ব্যবহার করে ০ এবং ১-কে উপরিপাতিত করে। একটি ইলেকট্রনের ঘূর্ণন বৃদ্ধি পেলে তা ০-কে এবং ঘূর্ণন হ্রাস পেলে তা ১-কে নির্দেশ করে; একাধিক প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ইলেকট্রনগুলোর ঘূর্ণন দিক এমনভাবে উপরিপাতিত করা যায় যে তারা জটবদ্ধ হয়ে পড়ে।
বিষয়টি আরও সহজে বোঝার জন্য, নিম্নলিখিত পরিস্থিতিটি বিবেচনা করুন।
বিড়াল ১ এবং বিড়াল ২ নামে দুটি বিড়াল আছে, যাদের জীবিত বা মৃত অবস্থা এমনভাবে উপরিপাতিত ও জড়িত যে, একটি বিড়ালের অবস্থা অন্যটির অবস্থাকে প্রভাবিত করে। যখন বিড়ালগুলোর অবস্থা এভাবে জড়িত থাকে, তখন তাদের কোয়ান্টাম অবস্থাকে একটিমাত্র তরঙ্গ ফাংশন দ্বারা বর্ণনা করা হয়, যা চারটি সম্ভাব্য কোয়ান্টাম অবস্থার উপরিপাতনকে প্রতিনিধিত্ব করে: (জীবিত, জীবিত), (জীবিত, মৃত), (মৃত, জীবিত), এবং (মৃত, মৃত)।
যদি আমরা একটি ক্লাসিক্যাল কম্পিউটার ব্যবহার করে বিড়াল দুটির অবস্থা নির্ণয় করতে চাই, তাহলে আমাদের একটি দ্বি-ধাপ প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যেতে হবে: প্রথমে বিড়াল ১-এর অবস্থা পরীক্ষা করা, এবং তারপর বিড়াল ২-এর অবস্থা পরীক্ষা করা। এর বিপরীতে, একটি কোয়ান্টাম কম্পিউটার ব্যবহার করে, একবার বিড়াল ১-এর অবস্থা নির্ণয় করা হয়ে গেলে, বিড়াল ২-এর অবস্থা সম্ভাবনার ভিত্তিতে নির্ণয় করা হয়। এর কারণ হলো বিড়াল দুটির অবস্থা পরস্পরের সাথে জড়িত। সম্ভাবনার ভিত্তিতে নির্ণয় হওয়ার অর্থ হলো, আমাদেরকে বলে দেওয়া হয় জীবিত থাকার সম্ভাবনা (X%) এবং মৃত থাকার সম্ভাবনা (Y%)।
আধুনিক মানুষের সুনির্দিষ্ট তথ্যের প্রতি ঝোঁক থাকায়, একটি সম্ভাব্য ফলাফলের ধারণা আকর্ষণীয় নাও হতে পারে, কিন্তু সৌভাগ্যবশত, কোয়ান্টাম অ্যালগরিদম ব্যবহার করে এই অসুবিধা কিছুটা কমানো যায়। আপনি হয়তো ভাবতে পারেন, “প্রায় দ্বিগুণ সময়ের পার্থক্য তো তেমন কোনো বড় ব্যাপার নয়, তাই না?” কিন্তু কিউবিটের সংখ্যা বাড়ার সাথে সাথে এই সময়ের পার্থক্য সূচকীয় হারে বৃদ্ধি পায়। কোয়ান্টাম-এনট্যাঙ্গলড অবস্থায় মিথস্ক্রিয়াকারী বিপুল সংখ্যক কিউবিট তৈরি করে এবং একটিমাত্র কিউবিটের অবস্থা পরিবর্তন করলে, এনট্যাঙ্গলমেন্টের মাধ্যমে সংযুক্ত অন্য সব কিউবিটের কোয়ান্টাম অবস্থাও স্বয়ংক্রিয়ভাবে পরিবর্তিত হয়ে যায়। সুতরাং, নির্দিষ্ট উদ্দেশ্য অনুযায়ী এই অবস্থার পরিবর্তনগুলোকে প্রক্রিয়াকরণ করার জন্য কোয়ান্টাম অ্যালগরিদম ব্যবহার করে একই সাথে বিপুল পরিমাণ তথ্য প্রক্রিয়াকরণ করা সম্ভব। কোয়ান্টাম কম্পিউটারের এই অনন্য তথ্য-প্রক্রিয়াকরণ ক্ষমতা, যা সুপারপজিশন এবং এনট্যাঙ্গলমেন্টের ঘটনাকে কাজে লাগায়, তাকে কোয়ান্টাম প্যারালালিজম বলা হয়। কোয়ান্টাম কম্পিউটার এই ধরনের কোয়ান্টাম প্যারালাল প্রসেসিং সম্পাদন করে গণনার সময় কমাতে পারে।
বলা যেতে পারে, একটি কম্পিউটারের প্রসেসিং গতির মতোই এর ধারণক্ষমতাও সমান গুরুত্বপূর্ণ। কোয়ান্টাম কম্পিউটার সম্ভবত কোয়ান্টাম সেমিকন্ডাক্টর ব্যবহার করবে; তবে, এগুলোকে প্রকৃত স্টোরেজ ডিভাইস হিসেবে ব্যবহার করার ক্ষেত্রে কিছু প্রতিবন্ধকতা রয়েছে। কারণ, কোয়ান্টাম সিস্টেমে তথ্য ইনপুট ও আউটপুট করা কঠিন এবং বর্তমান প্রযুক্তিতে পরমাণুর মধ্যে সংরক্ষিত তথ্য দীর্ঘ সময় ধরে টিকে থাকে না। তা সত্ত্বেও, যদি এই অসুবিধাগুলো কাটিয়ে ওঠা যায় এবং কোয়ান্টাম সেমিকন্ডাক্টর সফলভাবে তৈরি করা সম্ভব হয়, তবে সিউলের প্রতিটি কম্পিউটারের সমস্ত তথ্য একটি পার্সোনাল কম্পিউটারের আকারের ডিভাইসের মধ্যে সংরক্ষণ করা সম্ভব হতে পারে।
কোয়ান্টাম কম্পিউটার বাস্তবায়নের জন্য এমন একটি উপযুক্ত কোয়ান্টাম সিস্টেমের প্রয়োজন যা কোয়ান্টাম প্যারালাল প্রসেসিং সক্ষম করে; প্রকৃতপক্ষে, এটিই সম্ভবত সবচেয়ে কঠিন চ্যালেঞ্জ। বর্তমান প্রযুক্তিতে, কোয়ান্টাম কণা দ্বারা গঠিত কিউবিটগুলোকে পর্যাপ্ত সময়ের জন্য স্থিতিশীল রাখা অসম্ভব, এমনকি বাহ্যিক পরিবেশের সামান্য প্রভাব থেকেও কিউবিটগুলোর পরিবর্তন রোধ করা যায় না। বর্তমানে, কিউবিটগুলোকে যথাসম্ভব দীর্ঘ সময় স্থিতিশীল রাখতে সুপারকন্ডাক্টর ব্যবহার করা হয়। তবে, এটি কিউবিটের উৎপাদন খরচ আকাশচুম্বী করে তোলে, এবং যেহেতু সিস্টেমটিকে চালু থাকা অবস্থায় একটি সুপারকন্ডাক্টিং অবস্থা বজায় রাখতে হয়, তাই পরিচালন ব্যয়ও অত্যন্ত বেশি। উপরন্তু, কিউবিটের উপর বাহ্যিক প্রভাব রোধ করার জন্য উন্নত শব্দরোধী এবং শিল্ডিং সরঞ্জামের প্রয়োজন হওয়ায় কম্পিউটারটি নিজেই খুব বড় হয়।
প্রসঙ্গক্রমে বলা যায়, বর্তমানে উপলব্ধ সবচেয়ে উন্নত কোয়ান্টাম কম্পিউটার হলো একটি নিউক্লিয়ার ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স (NMR) কোয়ান্টাম কম্পিউটার, যার প্রক্রিয়াকরণ ক্ষমতা ৭ কিউবিট। এই কম্পিউটারটি কী করতে পারে তার একটি উদাহরণ হলো, এটি ০ থেকে ৭-এর মধ্যে কোন সংখ্যাগুলো মৌলিক তা শনাক্ত করতে পারে।
কোয়ান্টাম কম্পিউটারের আবির্ভাবে ভবিষ্যৎ কীভাবে উন্মোচিত হবে? এতে কোনো সন্দেহ নেই যে কোয়ান্টাম কম্পিউটার আমাদের সভ্যতার সকল ক্ষেত্রে বৈপ্লবিক পরিবর্তন আনবে, কিন্তু বিকাশের এই প্রাথমিক পর্যায়ে ভবিষ্যৎ বিশ্বের উপর এর প্রভাব সম্পূর্ণরূপে অনুমান করা অসম্ভব। অধিকন্তু, যেহেতু কোয়ান্টাম কম্পিউটারগুলো যোগের মতো কাজ দ্রুত করার জন্য তৈরি করা হয়নি, তাই এগুলো বর্তমান কম্পিউটারগুলোকে পুরোপুরি প্রতিস্থাপন করবে না এবং এখন পর্যন্ত মাত্র দুই বা তিনটি অ্যালগরিদমকে কার্যকর হিসেবে চিহ্নিত করা হয়েছে।
তবে, ন্যানোপ্রযুক্তির অগ্রগতির সাথে সাথে এবং কোয়ান্টাম অবস্থা নিয়ন্ত্রণের ক্ষমতা বাড়ার ফলে, কোয়ান্টাম কম্পিউটার উৎপাদন প্রযুক্তিও এর পাশাপাশি উন্নত হবে, যার অর্থ হলো কোয়ান্টাম কম্পিউটার অবশেষে আমাদের ডেস্কে জায়গা করে নেবে। পূর্বে যেমন ব্যাখ্যা করা হয়েছে, কোয়ান্টাম কম্পিউটার—যা কোয়ান্টাম ঘটনার কারণে বর্তমান কম্পিউটারের সীমাবদ্ধতাগুলো কাটিয়ে উঠতে পারে এবং অতুলনীয় গণনা ক্ষমতার অধিকারী—একবিংশ শতাব্দীতে মানব সভ্যতার সামনে অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ একটি চ্যালেঞ্জ!
