क्वांटम प्रौद्योगिकी

क्वांटम प्रौद्योगिकी क्या हैं?

• क्वांटम प्रौद्योगिकी एक उभरता हुआ क्षेत्र है जो संचार, कंप्यूटिंग, संवेदन और क्रिप्टोग्राफी में नई तकनीकों को विकसित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का उपयोग करता है। 
• क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ अभूतपूर्व क्षमताओं वाली प्रक्रियाओं और उपकरणों को विकसित करने के लिए उप-परमाणु कणों के अद्वितीय गुणों का उपयोग करती हैं।

परिचय

• भारत में क्वांटम प्रौद्योगिकी का विकास तेजी से हो रहा है। 
• सरकार और विभिन्न शोध संस्थानों ने राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (NQM) के तहत कई पहल शुरू की हैं। 
•  इस मिशन का उद्देश्य भारत को क्वांटम प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में अग्रणी राष्ट्र बनाना है।
• भारत उन 17 देशों में से एक है, जिनके पास क्वांटम प्रौद्योगिकियों में अनुसंधान को समर्थन देने के लिए समर्पित सरकारी कार्यक्रम है ।

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वर्तमान परिदृश्य और निवेश : 

• पिछले पांच वर्षों में भारत का 6,000 करोड़ रुपये (लगभग 0.75 बिलियन अमरीकी डॉलर) का निवेश अन्य देशों की प्रतिबद्धताओं के सामने छोटा है। 

उदाहरण के लिए:- 

• चीन क्वांटम तकनीकों पर 15 बिलियन अमरीकी डॉलर खर्च कर रहा है।
• यूनाइटेड किंगडम, यूनाइटेड स्टेट्स, जर्मनी और दक्षिण कोरिया ने भी 35 बिलियन अमरीकी डॉलर से लेकर 4.3 बिलियन अमरीकी डॉलर तक की पर्याप्त धनराशि आवंटित की है।

भारत क्वांटम प्रौद्योगिकियों से संबंधित क्षेत्र

• भारत क्वांटम प्रौद्योगिकियों से संबंधित क्षेत्रों जैसे –  जैव रसायन, रसायन विज्ञान, भौतिकी, इलेक्ट्रॉनिक्स और रासायनिक इंजीनियरिंग, गणित और सांख्यिकी में स्नातक तैयार करने में अग्रणी है।
  •  इन विषयों में प्रतिवर्ष 82,000 से अधिक छात्र स्नातक होते हैं, जो कि समग्र रूप से यूरोपीय संघ से भी अधिक है। 

राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (NQM)

 क्या है?

• राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (NQM) भारत सरकार की एक महत्वाकांक्षी पहल है जिसका उद्देश्य देश में क्वांटम प्रौद्योगिकी और अनुसंधान को आगे बढ़ाना है। 
• घोषणा तिथि: 2023

उद्देश्य :- 

•  क्वांटम संचार, क्वांटम कंप्यूटिंग, क्वांटम सेंसिंग और क्वांटम सामग्रियों में विकास को बढ़ावा देना।
•   क्वांटम विज्ञान और प्रौद्योगिकी में अनुसंधान क्षमताओं को बढ़ाना।
• शैक्षणिक संस्थानों, अनुसंधान संगठनों और उद्योगों के बीच सहयोग को प्रोत्साहित करना।
•  अत्याधुनिक क्वांटम प्रयोगशालाएँ और अनुसंधान सुविधाएँ स्थापित करना।

भारत के क्वांटम मिशन में फोकस के क्षेत्र

 

क्वांटम कंप्यूटिंग : 

• क्लासिकल कंप्यूटिंग द्वारा अप्राप्य गति पर गणनाओं के लिए क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का उपयोग करता है।

मुख्य सिद्धांत

• सुपरपोजिशन: क्यूबिट एक ही समय में 0 और 1 अवस्थाओं के संयोजन में होता है, जिससे कम्प्यूटेशनल शक्ति बढ़ जाती है। 
• क्वांटम डिकोहेरेंस: वह प्रक्रिया जिसके द्वारा क्वांटम सिस्टम अपने क्वांटम गुणों को खो देते हैं और क्लासिकल कंप्यूटिंग अवस्थाओं में परिवर्तित हो जाते हैं।
• मुख्य विशेषता: क्यूबिट्स 0 और 1 दोनों को एक साथ दर्शा सकते हैं, जिससे व्यापक समानांतर प्रसंस्करण संभव हो जाता है।
• अनुप्रयोग: क्रिप्टोग्राफी, अनुकूलन, जटिल सिमुलेशन।

क्वांटम संचार :- 

• परिभाषा: सुरक्षित संचार चैनल बनाने के लिए एंटैंगलमेंट और सुपरपोजिशन का उपयोग करता है।
• मुख्य विशेषता: क्वांटम कुंजी वितरण (QKD) सुनिश्चित करता है कि एन्क्रिप्शन कुंजियाँ सुरक्षित रूप से प्रेषित की जाती हैं।
• अनुप्रयोग: सुरक्षित संचार, ईव्सड्रॉपिंग को रोकना।

क्वांटम सेंसर और मेट्रोलॉजी :-

• परिभाषा: माप में उच्च संवेदनशीलता और सटीकता के लिए क्वांटम परिघटनाओं का लाभ उठाता है।
• मुख्य विशेषता: भौतिक राशियों को मापने में असाधारण सटीकता।
• अनुप्रयोग: नेविगेशन, मेडिकल इमेजिंग, गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना।

क्वांटम सामग्री :-

• परिभाषा: क्वांटम यांत्रिक अंतःक्रियाओं से गुण प्रदर्शित करने वाली सामग्री।
• मुख्य विशेषता: सुपरकंडक्टर और उन्नत अर्धचालक जैसी नई तकनीकों का विकास।
• अनुप्रयोग: अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण।

कार्यान्वयन : 

• चरण: मिशन को 8 वर्षों की अवधि में चरणबद्ध तरीके से लागू किया जाएगा।
• वित्तपोषण: आवश्यक बुनियादी ढांचे और संसाधनों की स्थापना सुनिश्चित करने के लिए मिशन को सरकार से पर्याप्त धन प्राप्त होगा।

लाभ:- 

• रक्षा और रणनीतिक क्षेत्रों के लिए सुरक्षित संचार प्रणालियों को बढ़ाना।
• आर्थिक विकास और रोजगार सृजन के लिए अग्रणी तकनीकी प्रगति को बढ़ावा देना।
• क्वांटम प्रौद्योगिकी अनुसंधान और विकास में भारत को वैश्विक नेता के रूप में स्थापित करना।

चुनौतियाँ:- 

• क्वांटम प्रौद्योगिकी में अनुसंधान और विकास के लिए महत्वपूर्ण वित्तीय निवेश की आवश्यकता होती है।
• क्वांटम हार्डवेयर और बुनियादी ढाँचे का विकास और रखरखाव महंगा है।
• कई क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ अभी भी प्रायोगिक चरण में हैं और रोज़मर्रा के उपयोग के लिए अभी तक व्यावहारिक नहीं हैं।
• पर्याप्त अनुसंधान और विकास के लिए सरकारी और निजी क्षेत्रों से पर्याप्त समर्थन की कमी है।

क्यूबिट क्या है?

• क्यूबिट या क्वांटम बिट, क्वांटम कंप्यूटिंग में क्वांटम सूचना की मूल इकाई है।
• क्लासिकल बिट के विपरीत, जो 0 या 1 हो सकता है, एक क्यूबिट 0, 1 या इन अवस्थाओं के किसी भी सुपरपोजिशन में एक साथ मौजूद हो सकता है।

उदाहरण

• एक क्यूबिट को एक घूमते हुए सिक्के के रूप में कल्पना करें। जब यह घूम रहा होता है, तो इसे एक ही समय में हेड (0) और टेल (1) दोनों माना जा सकता है, जो एक सुपरपोजिशन अवस्था का प्रतिनिधित्व करता है।

क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक कंप्यूटर से किस तरह अलग हैं?

क्लासिकल कंप्यूटर :- 

• डेटा की सबसे छोटी इकाई के रूप में बिट्स का उपयोग करते हैं, जो 0 या 1 हो सकता है।
• एक समय में एक क्रमिक रूप से ऑपरेशन करते हैं।

क्वांटम कंप्यूटर: 

• क्यूबिट का उपयोग करते हैं, जो सुपरपोजिशन के कारण एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकते हैं।
• एक साथ कई ऑपरेशन कर सकते हैं, जिससे कुछ कार्यों के लिए संभावित रूप से घातीय गति मिलती है।

उदाहरण:- 

• एक पारंपरिक कंप्यूटर को बड़ी संख्या को फ़ैक्टराइज़ करने में सालों लग सकते हैं, जबकि एक क्वांटम कंप्यूटर शोर के एल्गोरिदम जैसे एल्गोरिदम का उपयोग करके सेकंड में ऐसा कर सकता है।

महत्व :- 

• क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक कंप्यूटरों की तुलना में जटिल समस्याओं को बहुत तेज़ी से हल कर सकते हैं, जैसे क्रिप्टोग्राफी, ऑप्टिमाइज़ेशन समस्याएँ और जटिल सिमुलेशन।

क्वांटम प्रौद्योगिकी के लाभ और हानियाँ

लाभ

1. बढ़ी हुई कंप्यूटिंग शक्ति:- 

• क्वांटम कंप्यूटर कुछ जटिल समस्याओं को पारंपरिक कंप्यूटरों की तुलना में बहुत तेज़ी से हल कर सकते हैं।
  • उदाहरण: सेकंड में जटिल क्रिप्टोग्राफ़िक कोड को तोड़ना।

2. सुरक्षित संचार :- 

• क्वांटम कुंजी वितरण (QKD) अत्यधिक सुरक्षित संचार चैनल सुनिश्चित करता है, जिससे छिपकर बातें सुनना बंद हो जाता है।
  • उदाहरण: सुरक्षित सैन्य संचार जिन्हें रोका नहीं जा सकता।

3. उन्नत संवेदन और माप विज्ञान

• क्वांटम सेंसर माप में अभूतपूर्व संवेदनशीलता और सटीकता प्रदान करते हैं, नेविगेशन, चिकित्सा इमेजिंग और गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने में उपयोगी होते हैं।
  • उदाहरण: क्वांटम सेंसर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगा सकते हैं, जिससे भूवैज्ञानिक सर्वेक्षणों में सहायता मिलती है।

 हानि 

1. तकनीकी चुनौतियां :- 

• क्वांटम कंप्यूटर बनाने और बनाए रखने के लिए बेहद कम तापमान और परिष्कृत उपकरणों की आवश्यकता होती है।
  • उदाहरण: क्वांटम कंप्यूटर को पूर्ण शून्य तापमान के करीब काम करने की आवश्यकता होती है, जिसे बनाए रखना मुश्किल और महंगा होता है।

2. सीमित व्यावहारिक अनुप्रयोग:- 

• कई क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ अभी भी प्रायोगिक चरण में हैं और अभी तक रोज़मर्रा के उपयोग के लिए व्यावहारिक नहीं हैं।
  • उदाहरण: क्वांटम कंप्यूटर वर्तमान में सामान्य प्रयोजन के कंप्यूटिंग कार्यों के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

3. उच्च लागत:- 

• क्वांटम प्रौद्योगिकी में अनुसंधान और विकास के लिए महत्वपूर्ण वित्तीय निवेश की आवश्यकता होती है।
• उदाहरण: क्वांटम हार्डवेयर और बुनियादी ढाँचे को विकसित करने और बनाए रखने की लागत।

4. कार्यबल प्रशिक्षण:- 

• क्वांटम प्रौद्योगिकियों के क्षेत्र में एक प्रासंगिक कार्यबल विकसित करने के लिए विशेष प्रशिक्षण और शिक्षा की आवश्यकता है।
  • उदाहरण: क्वांटम यांत्रिकी और क्वांटम कंप्यूटिंग में विशेषज्ञता विकसित करने के लिए प्रशिक्षण कार्यक्रमों की आवश्यकता है।

भारत सरकार द्वारा शुरू की गई प्रमुख पहल

क्वांटम प्रौद्योगिकी और अनुप्रयोगों पर राष्ट्रीय मिशन (NM-QTA):- 

• 2021 के बजट में, सरकार ने क्वांटम कंप्यूटिंग, क्रिप्टोग्राफी, संचार और सामग्री विज्ञान के विकास को बढ़ावा देने के लिए 8,000 करोड़ रुपये आवंटित किए।

क्वांटम कंप्यूटिंग प्रयोगशाला :- 

•  दिसंबर 2021 में, भारतीय सेना ने मध्य प्रदेश के महू में एक सैन्य इंजीनियरिंग संस्थान में एक क्वांटम कंप्यूटिंग प्रयोगशाला और एक आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (AI) केंद्र की स्थापना की।
• इस पहल को राष्ट्रीय सुरक्षा परिषद सचिवालय (NSCS) का समर्थन प्राप्त है।

क्वांटम संचार प्रयोगशाला

• शुभारंभ: सेंटर फॉर डेवलपमेंट ऑफ टेलीमैटिक्स (CDOT) ने अक्टूबर 2021 में एक क्वांटम संचार प्रयोगशाला शुरू की।
• क्षमता: प्रयोगशाला *** किमी से अधिक दूरी पर मानक ऑप्टिकल फाइबर संचार का समर्थन करती है।

सहयोग

• शामिल संस्थान: डिफेंस इंस्टीट्यूट ऑफ एडवांस्ड टेक्नोलॉजी (DIAT) और सेंटर फॉर डेवलपमेंट ऑफ एडवांस्ड कंप्यूटिंग (CDAC) ने क्वांटम कंप्यूटर विकसित करने और सहयोग करने पर सहमति जताई।

I-HUB क्वांटम टेक्नोलॉजी फाउंडेशन

• लॉन्च: विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग और IISER पुणे के लगभग 13 शोध समूहों ने I-HUB क्वांटम टेक्नोलॉजी फाउंडेशन लॉन्च किया।
• उद्देश्य: क्वांटम प्रौद्योगिकी के विकास को और आगे बढ़ाना।

क्वांटम प्रौद्योगिकी में स्टार्टअप

•   बेंगलुरु में कुनु लैब्स और भिलाई  में बोसॉनक्यू, जैसे कई स्टार्टअप क्वांटम प्रौद्योगिकी क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति कर रहे हैं।

आगे की राह 

•   क्वांटम प्रौद्योगिकी का समर्थन करने के लिए पर्याप्त कम्प्यूटेशनल क्षमता का निर्माण करना।
•   ऐसे क्वांटम कंप्यूटर विकसित करना जो आकार में व्यावहारिक हों और लागत में किफायती हों।
•  क्वांटम कंप्यूटर के निर्माण और संचालन के लिए कौशल बढ़ाना।
•  क्वांटम प्रौद्योगिकी के विभिन्न व्यावहारिक अनुप्रयोगों को साकार करने के लिए निरंतर शोध।
•   विज्ञान और प्रौद्योगिकी में कुशल कार्यबल विकसित करने के लिए स्नातक और स्नातकोत्तर स्तर पर शैक्षिक पाठ्यक्रम में क्वांटम विज्ञान और इंजीनियरिंग को शामिल करना।