आईबीएमको क्वान्टम प्रोजेक्टमा जोडिएका वैज्ञानिक

विश्वकै अग्रणी प्रविधि कम्पनी आईबीएमको  न्युयोर्कस्थित क्वान्टम अनुसन्धान केन्द्रमा डा. यादवप्रसाद कँडेलको मस्तिष्कमा केही वर्षदेखि एउटै प्रश्नले रजगज गरिरहेको छ- क्वान्टम कम्प्युटरलाई ठूलो कसरी बनाउने?

एउटा चिपमा केही दर्जन वा सयौं क्युबिट राख्न सकिएला। तर औषधि आविष्कार, नयाँ पदार्थको डिजाइन, जटिल वित्तीय मोडल वा आजको सुरक्षा प्रणालीलाई चुनौती दिनसक्ने स्तरको कम्प्युटर बनाउन हजारौं भरपर्दा क्युबिट आवश्यक पर्न सक्छन्। एउटै चिपमा ती सबै अटाउन कठिन हुन्छ। त्यसैले भविष्यको एउटा सम्भावित बाटो साना क्वान्टम चिपलाई आपसमा जोडेर ठूलो प्रणाली बनाउनु हो।

कँडेल यसै काममा आफूलाई केन्द्रित गर्दै उत्तर खोजिरहेका छन्। अलग–अलग चिपमा रहेका क्युबिट बीच क्वान्टम सूचना कसरी पठाउने, तिनलाई कसरी ‘इन्ट्याङ्गल’ गर्ने र क्वान्टम अवस्था कसरी लामो समयसम्म कसरी जोगाइराख्ने ? आईबीएममा उनको दैनिक अनुसन्धान यिनै प्रश्न वरिपरि घुम्छ।

तर, यो अत्याधुनिक प्रयोगशालासम्म आइपुग्न उनले तय गरेको  यात्रा कुनै तिलस्मी कथाभन्दा कम रोचक छैन ।

गुल्मीको यात्रा शृङ्गास्थित एउटा किसान परिवारको गोठबाट शुरु भएको थियो । बिहान-बेलुका घाँसदाउरा गर्दै स्कूल पढेका उनले क्वान्टम कम्युटिङमै पीएचडी गरेका छन्। ब्लु ओसन भनिने विश्वकै ठूलो कम्पनीमा वैज्ञानिक बनेका छन् ।

सामुदायिक विद्यालयको शिक्षा

कँडेलका बुवा रोजगारीका लागि भारतमा हुन्थे। आमा घर, बालबच्चा र खेतीपाती सम्हाल्थिन्। अरू गाउँले बालबालिका जस्तै उनले पनि गाईवस्तु चराउने, घाँस काट्ने, दाउरा र पानी बोक्ने तथा खेतीमा सघाउने काम गरे।

एसएलसीसम्म स्थानीय सामुदायिक विद्यालय पढेर विज्ञान पढ्न काठमाडौं आएपछि उनको पहिलो चुनौती विषयभन्दा भाषा बन्यो। पहिलो पटक अंग्रेजी माध्यममा पढ्नुपर्दा उनलाई फेरि आधारभूत तहदेखि पढ्न थाले जस्तो महसुस भयो।

तर कठिन भाषाले विज्ञानप्रतिको उनको आकर्षण रोक्न सकेन। प्लस टुपछि धेरै विद्यार्थी चिकित्सा वा इन्जिनियरिङतर्फ आकर्षित भइरहेका बेला उनले त्रिचन्द्र कलेजमा भौतिकशास्त्र रोजे।

‘मलाई पहिलेदेखि प्रविधि र अनुसन्धानमुखी काममा रुचि थियो, त्यसैले फिजिक्सतिर लागें’, उनी भन्छन् ।

२०६२/६३ को आन्दोलनपछि त्रिचन्द्रमा नियमित कक्षा नहुने, राजनीतिक झगडा भइरहने र पढाइको वातावरण भंग हुने समस्या थियो। कलेजको भरमा मात्र पढाइ पूरा नहुने देखेपछि उनले आफैं पढ्न थाले।

परिवारले खर्च पठाउन सक्ने अवस्था थिएन । पढ्न र जीवन धान्न विभिन्न विद्यालयमा पढाए। एउटा इन्जिनियरिङ कलेजको प्रयोगशालामा काम गरे। बिहान–साँझ ट्युसन पढाए। यही क्रमले उनलाई विद्यार्थी, शिक्षक र प्रयोगशालाकर्मी तीनवटै भूमिकाबाट विज्ञान बुझ्ने अवसर दियो।

पत्रिका पसलबाट विज्ञान लेखनसम्म

प्लस टुपछि दाइसँग मिलेर भक्तपुरको गठ्ठाघरमा करिब एक वर्ष स्टेसनरी तथा पत्रिका पसल चलाउनु उनको जीवनको अर्को अनौठो मोड बन्यो। दिनभरि पत्रिका बीच बस्दा उनी पसलमा आउने लगभग सबै पत्रिका पढ्थे। त्यही क्रममा नेपाली सञ्चारमाध्यममा बालबालिकालाई विज्ञान बुझाउने सामग्रीको अभाव देखे।

उनले नागरिक दैनिकको बाल परिशिष्ट ‘जुनकिरी’लाई इमेल लेखे- बालबालिकाका लागि विज्ञान स्तम्भ किन नलेख्ने? प्रस्ताव स्वीकार भयो। उनी विज्ञानका जटिल विषय सरल भाषामा लेख्न थाले।

पछि नेशनल एकेडेमी अफ फिजिक्ससँग मिलेर विज्ञान पत्रिका निकाले। मास्टर्सका विद्यार्थीसँग ‘साइन्स इन्फो’ प्रकाशन गरे। भौतिकशास्त्रका किताब लेखे, विद्यालयमा पढाए र विज्ञानलाई कक्षाकोठा बाहिर लैजाने प्रयास गरिरहे।

त्रिचन्द्रबाट बीएस्सी गर्दा उनले भौतिकशास्त्रका विद्यार्थीमध्ये उत्कृष्ट अंक ल्याए। तत्कालीन शिक्षामन्त्री चित्रलेखा यादवबाट मेडल पाए। उपलब्धिसँगै एउटा प्रश्न भने झन् गहिरिंदै थियो- नेपालमै बसेर विश्वस्तरीय अनुसन्धान कसरी गर्ने?

त्रिविमा आफैंले इन्टरनेट जोडे, चन्दा उठाएर सर्भर किने

त्रिभुवन विश्वविद्यालयको केन्द्रीय भौतिकशास्त्र विभागमा एमएस्सी पढ्दा उनी सेमेस्टर प्रणालीको पहिलो ब्याचमा थिए। त्यही बेला इटालीको इन्टरनेशनल सेन्टर फर थ्योरिटिकल फिजिक्समा एक महिना अनुसन्धान गर्ने अवसर पाए।

इटालीमा बनेको सम्पर्कले उनलाई भारतको बैङ्गलोरस्थित इन्टरनेशनल सेन्टर फर थेरेटिकल साइन्सेजसम्म पुर्‍यायो। पछि थाइल्यान्डमा पनि छोटो अनुसन्धान कार्यक्रममा सहभागी भए।

उनको मास्टर्स थेसिस बायोफिजिक्स र मोलिक्युलर सिमुलेसनमा थियो। यस्तो अनुसन्धानका लागि शक्तिशाली कम्प्युटर र स्थिर इन्टरनेट आवश्यक थियो। तर, कीर्तिपुरमा उपलब्ध सर्भर सधैं व्यस्त हुन्थे। अनुसन्धानपत्र डाउनलोड गर्न समेत भरपर्दो इन्टरनेट थिएन।

कँडेलले भरपर्दो इन्टरनेट जडान गर्न विभागलाई अनुरोध गरे । तर, विभागले असमर्थता जनाएपछि त्यो अभाव पूर्ति गर्न आफैं अघि सरे । अनलाइन क्राउडफन्डिङबाट एक–डेढ लाख रुपैयाँ जुटाए, सर्भर किने र त्रिविको विज्ञान विभागमा आफैं जडान गरिदिए ।  त्यसमार्फत थेसिस पूरा गरे।

‘सानो देखिने पूर्वाधारको अभावले पनि अनुसन्धानलाई कति धेरै रोक्दोरहेछ भन्ने त्यतिबेला महसुस भयो’, उनी सम्झन्छन् ।

त्यो सर्भर आजको अर्थमा विशाल सुपरकम्प्युटर थिएन। तर स्रोत नभएको प्रयोगशालामा आफ्नै प्रयासले जुटाइएको त्यो कम्प्युटिङ क्षमता उनका लागि अनुसन्धानको ढोका थियो। समस्याबारे गुनासो मात्र नगरी समाधान खोज्ने उनको स्वभाव यहींबाट स्पष्ट देखिन थालेको थियो।

नौ विश्वविद्यालयको प्रस्ताव, रोजाइमा रोचेस्टर

सन् २०१६ को अन्त्यतिर मास्टर्सको थेसिस सकेपछि उनले अमेरिकाका नौ विश्वविद्यालयमा आवेदन दिए। नौ वटैबाट प्रस्ताव आयो। उनले युनिभर्सिटी अफ रोचेस्टर रोजे।

रोचेस्टर कुनै संयोगपूर्ण छनोट थिएन। कुनै बेला विश्वप्रसिद्ध क्यामेरा कम्पनी कोडाकको मुख्यालय रहेको त्यो शहर अप्टिक्स, फोटोनिक्स र क्वान्टम विज्ञानको बलियो केन्द्रका रूपमा विकसित भएको थियो।

मास्टर्समा जैविक अणुको सिमुलेसन गर्दा उनले एउटा सीमा अनुभव गरेका थिए- प्रकृतिका जटिल अणु र पदार्थलाई परम्परागत कम्प्युटरमा ठ्याक्कै मोडल गर्न अत्यन्त ठूलो गणनात्मक शक्ति चाहिन्छ।

क्वान्टम कम्प्युटिङले यस्ता जटिल प्रणालीलाई प्रकृतिकै क्वान्टम नियम प्रयोग गरेर बुझ्ने सम्भावना बोकेको थियो। त्यही सम्भावनाले उनलाई नयाँ क्षेत्रमा तान्यो।

‘परम्परागत प्रविधिमा साना–साना सुधार गर्नेभन्दा बिल्कुलै फरक प्रविधिको आधार निर्माण गर्ने क्षेत्रमा किन काम नगर्ने भन्ने लाग्यो’, उनी भन्छन्।

क्युबिट जोड्ने कठिन समस्या

सामान्य कम्प्युटरको आधारभूत सूचना एकाइ ‘बिट’ हो, जसको अवस्था ० वा १ हुन्छ। क्वान्टम कम्प्युटरमा यसको ठाउँ ‘क्युबिट’ले लिन्छ। क्युबिटले सुपरपोजिसन र इन्ट्याङ्गलमेन्ट जस्ता क्वान्टम गुण प्रयोग गर्न सक्छ। यही कारण केही निश्चित किसिमका जटिल समस्यामा क्वान्टम कम्प्युटरले परम्परागत कम्प्युटरभन्दा बिल्कुलै फरक क्षमता देखाउन सक्छ।

तर, एउटा क्युबिट बनाउनु र हजारौं क्युबिटलाई भरपर्दो रूपमा मिलेर काम गराउनु फरक कुरा हो। क्युबिट बाहिरी वातावरणको अत्यन्त सानो प्रभावले पनि बिग्रन सक्छ। एउटा क्युबिटबाट अर्कोमा सूचना पठाउँदा त्रुटि आउन सक्छ।

कँडेलको पीएचडी अनुसन्धान यही कठिन ठाउँमा केन्द्रित भयो- टाढा रहेका इलेक्ट्रोन–स्पिन क्युबिटलाई कसरी जोड्ने र क्वान्टम अवस्था एउटा स्थानबाट अर्कोमा कसरी सार्ने?

सन् २०१९ मा उनी संलग्न अनुसन्धान टोलीले इलेक्ट्रोन स्वयंलाई एक ठाउँबाट अर्कोमा नलगीकन त्यसको ‘स्पिन स्टेट’ अर्थात् क्वान्टम सूचना स्थानान्तरण गर्ने विधि प्रदर्शन गर्‍यो। उक्त शोध वैज्ञानिकहरूको ड्रिम जर्नल विश्वप्रसिद्ध ‘नेचर’मा प्रकाशित भयो। यो अनुसन्धानले क्वान्टम कम्प्युटरका क्युबिट बीच सूचना सार्ने आधारभूत चुनौती समाधानतर्फ नयाँ बाटो देखाएको थियो।

रोचेस्टर विश्वविद्यालयले कँडेल संलग्न उक्त उपलब्धिलाई ‘इलेक्ट्रोनका लागि सानो कदम, क्वान्टम कम्प्युटरका लागि ठूलो छलाङ’का रूपमा व्याख्या गरेको थियो।

कँडेल त्यतिमै रोकिएनन्। सन् २०२१ मा उनी पहिलो लेखक रहेको अर्को अनुसन्धान ‘नेचर कम्युनिकेसन्स’मा प्रकाशित भयो। उक्त काममा इलेक्ट्रोनलाई भौतिक रूपमा नसारी नियन्त्रण गरिएको क्वान्टम प्रक्रियाबाट सूचना टाढाको स्पिनसम्म पुर्‍याउने ‘एडियाबेटिक क्वान्टम स्टेट ट्रान्सफर’ प्रदर्शन गरिएको थियो।

अनुसन्धानले उक्त विधि आवाज र पल्सको समय सम्बन्धी त्रुटिप्रति तुलनात्मक रूपमा बलियो हुनसक्ने देखाएको थियो। क्वान्टम सूचना १२७ नानोसेकेन्डभन्दा कम समयमा टाढाको इलेक्ट्रोनसम्म पुर्‍याउन सकिएको शोधमा उल्लेख छ।

पीएचडी पूरा हुँदासम्म उनले क्युबिट जोड्ने चार-पाँच फरक संयन्त्रमा काम गरिसकेका थिए।

अनि खुल्यो आईबीएमको ढोका

पीएचडीको अन्तिम वर्षमा कँडेलले संसारकै ठूलो प्रविधि कम्पनी आईबीएममा तीनमहिने इन्टर्नसिपको अवसर पाए। त्यहाँ उनलाई एउटा कठिन अनुसन्धान चुनौती दिइयो। निर्धारित समयमै समाधान प्रस्तुत गरेर उनी रोचेस्टर फर्किए।

उनको अनुसन्धान पोर्टफोलियो र इन्टर्नसिपको कामबाट प्रभावित आईबीएमले पीएचडीपछि पूर्णकालीन रूपमा जोडिन प्रस्ताव गर्‍यो। उनले सन् २०२४ जनवरीबाट ‘स्टाफ साइन्टिस्ट’का रूपमा काम शुरु गरे।

यहाँ उनको काम निर्देशन पालना गर्ने अनुसन्धानकर्तामा सीमित छैन। नयाँ समस्या पहिचान गर्ने, समाधानको अवधारणा बनाउने, गणना र सिमुलेसनबाट सम्भाव्यता परीक्षण गर्ने, पेटेन्ट प्रस्ताव गर्ने र सहयोगी टोलीको प्राविधिक नेतृत्व गर्ने जिम्मेवारी छ।

आईबीएममा पुगेपछि उनले प्राविधिक स्वामित्व सहित दुई परियोजना पूरा गरिसकेको र तेस्रोमा काम गरिरहेको बताउँछन्। उनका अनुसार १० भन्दा बढी पेटेन्टका लागि आवेदन दिएका छन्, जुन समीक्षाको प्रक्रियामा छन्। उनले विकास गरेका केही सर्किट र विधि आईबीएमको क्लाउडबाट प्रयोग गर्न सकिने क्वान्टम प्रणालीमा समेत समावेश भएका छन्।

‘आफूले बनाएको प्रविधि संसारभरका प्रयोगकर्ताले चलाइरहेको सिस्टममा देख्दा असाध्यै रमाइलो लाग्छ’, उनी भन्छन्।

उनको अहिलेको काम पीएचडीकै प्रश्नको ठूलो संस्करण हो- एउटा चिपभित्रका क्युबिट मात्र होइन, अलग–अलग क्वान्टम प्रोसेसर मोड्युललाई जोड्ने।

सन् २०२५ मा ‘फिजिकल रिभ्यु लेटर्स’मा प्रकाशित आईबीएम अनुसन्धानमा कँडेल सहलेखक छन्। उक्त टोलीले ६० सेन्टिमिटर लामो माइक्रोवेभ लिंक मार्फत दुई क्वान्टम मोड्युल बीच ९८.८ प्रतिशत ‘स्टेट ट्रान्सफर फिडेलिटी’ र ९३.३ प्रतिशत फिडेलिटी सहित रिमोट क्वान्टम गेटको प्रयोगात्मक प्रदर्शन गरेको थियो।

ठूलो क्वान्टम कम्प्युटरलाई एउटै विशाल चिपका रूपमा होइन, आपसमा जोडिएका मोड्युलका रूपमा निर्माण गर्ने दिशामा यस्तो प्रविधि महत्त्वपूर्ण मानिन्छ।

खर्बौं डलरको सम्भावना बोकेको दौड

कँडेलले काम गरिरहेको क्षेत्र अब विश्वविद्यालयका प्रयोगशालामा सीमित छैन। आईबीएमसँगै गुगल, माइक्रोसफ्ट लगायत प्रविधि कम्पनी तथा अमेरिका, चीन, युरोप, जापान र दक्षिण कोरिया जस्ता आर्थिक शक्ति उपयोगी क्वान्टम कम्प्युटर बनाउने प्रतिस्पर्धामा छन्।

यो दौडको आर्थिक आकार बुझ्न बजारको प्रत्यक्ष आम्दानी र प्रविधिले विभिन्न उद्योगमा सिर्जना गर्न सक्ने समग्र मूल्यलाई छुट्याएर हेर्नुपर्छ।

म्याकिन्सेको सन् २०२५ को आकलनअनुसार क्वान्टम कम्प्युटिङ, सञ्चार र सेन्सिङको विश्व बजार सन् २०३५ सम्म ९७ अर्ब अमेरिकी डलरसम्म पुग्न सक्छ। त्यसमध्ये क्वान्टम कम्प्युटिङको बजार मात्रै २८ देखि ७२ अर्ब अमेरिकी डलरसम्म पुग्ने अनुमान छ।

तर विभिन्न उद्योगमा यसले सिर्जना गर्ने व्यापक आर्थिक मूल्य अझ ठूलो हुन सक्छ। पछिल्लो आकलन अनुसार ऊर्जा तथा पदार्थ, वित्त, यातायात, औषधि र प्रविधि जस्ता क्षेत्रमा सन् २०३५ सम्म क्वान्टम कम्प्युटिङले १३  देखि २७ खर्ब अमेरिकी डलरसम्मको आर्थिक मूल्य सिर्जना गर्न सक्छ।

त्यसैले क्वान्टम कम्प्युटिङ नयाँ कम्प्युटर बनाउने परियोजना मात्र होइन। यो औषधि खोज, नयाँ सामग्री निर्माण, जलवायु मोडल, वित्तीय जोखिम विश्लेषण, औद्योगिक अनुकूलन र राष्ट्रिय सुरक्षाको भविष्यसँग जोडिएको विश्वव्यापी दौड हो।

सुरक्षाको घडी अहिलेदेखि नै किन चल्यो?

क्वान्टम कम्प्युटरको सबैभन्दा चर्चित प्रभाव क्रिप्टोग्राफीमा हुन सक्छ। आज इन्टरनेट बैंकिङ, सरकारी सञ्चार र गोप्य डेटाको सुरक्षामा प्रयोग हुने धेरै प्रणाली ठूलो सङ्ख्यालाई गुणनखण्डमा छुट्याउन परम्परागत कम्प्युटरलाई अत्यन्त कठिन हुने मान्यतामा आधारित छन्।

पर्याप्त शक्तिशाली र त्रुटि–सुधारयुक्त क्वान्टम कम्प्युटर बनेपछि यस्ता केही सुरक्षा प्रणाली तोड्न सकिने सैद्धान्तिक आधार छ। आजका क्वान्टम कम्प्युटर त्यसस्तरमा पुगिसकेका छैनन्, तर जोखिमलाई भविष्यको काल्पनिक कथा मानेर बसिएको पनि छैन।

अमेरिकी नियामक संस्था एनआईएसटीले सन् २०२४ मै क्वान्टम कम्प्युटरको सम्भावित आक्रमण सहन सक्ने पहिलो तीन पोस्ट–क्वान्टम क्रिप्टोग्राफी मापदण्ड जारी गरेर संस्था तथा प्रणाली सञ्चालकलाई रूपान्तरण शुरु गर्न आग्रह गरेको थियो।

कँडेल यसलाई ‘अहिले सङ्कलन गर, पछि डिक्रिप्ट गर’ भन्ने जोखिमका रूपमा बुझाउँछन्। आज चोरी गरिएको इन्क्रिप्टेड सूचना तत्काल पढ्न नसकिए पनि भविष्यको शक्तिशाली क्वान्टम कम्प्युटरका लागि भण्डारण गरेर राख्न सकिने चिन्ता छ।

नेपालले हार्डवेयर बनाउन सक्दैन तर प्रयोगको ढोका खोल्नुपर्छ

क्वान्टम हार्डवेयर बनाउन अर्बौं डलर, अत्यन्त चिसो तापक्रममा चल्ने प्रणाली, सूक्ष्म निर्माण सुविधा र वर्षौंको अनुसन्धान चाहिन्छ। नेपालले तुरुन्तै आईबीएम वा गुगलसँग हार्डवेयरमा प्रतिस्पर्धा गर्न नसक्ने कँडेल स्वीकार गर्छन्। तर यसको अर्थ नेपाल दर्शक मात्र बन्नुपर्छ भन्ने होइन।

उनका अनुसार नेपालको अवसर एप्लिकेसन लेयरमा छ। जसरी कम्प्युटर हार्डवेयर सीमित देश र कम्पनीले बनाए पनि संसारभरका युवाले सफ्टवेयर उद्योग निर्माण गरे, त्यसरी क्वान्टम कम्प्युटर उपलब्ध हुँदै जाँदा त्यसबाट रसायन, वित्त, कृषि, स्वास्थ्य वा अनुकूलनका समस्या समाधान गर्ने एल्गोरिदम र अनुप्रयोग बनाउन सकिन्छ।

नेपालका विश्वविद्यालयमा भौतिकशास्त्र, रसायनशास्त्र, गणित र कम्प्युटर विज्ञान पढिरहेका विद्यार्थीलाई यसतर्फ जोड्न सकिने उनी देख्छन्।

सन् २०२१ मा नेपाल आउँदा उनले त्रिभुवन विश्वविद्यालयको केन्द्रीय भौतिकशास्त्र विभागमा दुईदिने क्वान्टम कम्प्युटिङ कार्यशाला चलाएका थिए। पछिल्लो समय उनले विद्यार्थीलाई करिअर परामर्श दिने, अनुसन्धान परियोजना गराउने र थेसिसमा मार्गदर्शन गर्ने काम गरिरहेका छन्।

उनको दीर्घकालीन योजना नेपालमा क्वान्टम अनुप्रयोग सम्बन्धी स्टार्टअप वा इन्कुबेटर स्थापना गर्ने र विश्वविद्यालयमा अनुसन्धान समूह विकास गर्न सहयोग गर्ने हो।

अर्को सपना विद्यालय शिक्षासँग जोडिएको छ। आफूले वर्षौंसम्म सूत्र र सिद्धान्त पढे पनि ती दैनिक जीवनमा कहाँ प्रयोग हुन्छन् भन्ने ढिलो मात्र बुझ्न पाएको उनी सुनाउँछन्।

‘चुम्बकका गुण त पढ्यौं, तर हामीले चलाउने स्पिकरभित्र त्यही चुम्बकले काम गरिरहेको छ भनेर जोडिएन,’ उनी भन्छन्, ‘विद्यार्थीलाई के पढ्दैछ, किन पढ्दैछ र कहाँ प्रयोग हुन्छ भन्ने बुझाउनुपर्छ।’

विद्यालय र विश्वविद्यालयमा राजनीतिक हस्तक्षेप घटोस्, प्रयोगशाला र अनुसन्धानको वातावरण बलियो बनोस् भन्ने पनि उनको चाहना छ।