అన్నీ సైన్సులో ఉన్నాయి ష!

ఎపిసోడ్ 7: అభివృద్ధి ఉత్ప్రేరకాలు

క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ గురించి దాదాపు రెండున్నర దశాబ్దాల నుంచి ప్రస్తావిస్తున్నారు. అంతేకాకుండా అటు కంప్యూటర్ల గురించి, ఇటు భౌతిక శాస్త్రం గురించి తెలిసిన వారు పెద్ద సంఖ్యలో దీని మీద చర్చిస్తున్నారు. కాకపోతే దానిలో పురోగతి చాలా నిదానంగా వస్తోంది. దీనికి కారణాలనేకం. ఇప్పటికీ సాంప్రదాయిక కంప్యూటర్లతో తయారైన సూపర్ కంప్యూటర్ల వినియోగం సామాన్య జనంలోకి చొచ్చుకుని పోలేదు. దాని అవసరం పడలేదు నిజానికి. రోజువారీ జీవితంలో సూపర్ కంప్యూటర్ వాడే అవసరం ఎంతమందికి ఉంది? అలా అని పురోగతి ఆగిపోవాల్సిన పని లేదు. జిజ్ఞాసువులు వారివారి స్థాయిల్లో వారి పనిని చేసుకుంటూ వెళ్ళడమే, వేగంగా మారే కాలంలో ఎవరూ ఆగాల్సిన పని లేదు.

టైకో బ్రాహే చేసిన సమాచార సేకరణ, ఆ సమాచారాన్ని ఉపయోగించి తయారుచేసిన డేటా లేకపోతే ప్రస్తుతం మనం ఉన్న ప్రపంచం కనీసం శతాబ్దన్నర కాలం వెనకబడి ఉండేదని చెప్పుకున్నాం. నిజమేనా? అతిశయోక్తా? అనే ప్రశ్న ఉత్పన్నమవుతే నిజమే. చాలా రకాలైన డేటా మోడల్స్‌ను ఉపయోగించి వేసిన అంచనాలవి. కొన్ని కొన్ని పరిశోధనలు, కొందరి కృషి మనకు అవి జరుగుతున్నప్పుడు తెలియవు. కానీ, కాలగతిలో కొన్ని సంవత్సరాల తరువాతో, దశాబ్దాల తరువాతో, శతాబ్దాల తరువాతైనా వారి కృషి గురించి ప్రజలు గుర్తించాల్సిన పరిస్థితులు వస్తాయి. బ్రాహే పేరు పాఠశాల స్థాయిలో చదివే పాఠ్యపుస్తకాలలో చోటుచేసుకోకపోవటం వల్ల ఎక్కువమందికి తెలియకపోవచ్చు. కానీ, తెలిశాక నిత్య స్మరణీయుడే కదా.

అలాంటి అరుదైన సంఘటనే 2025 ఫిబ్రవరిలో జరిగిన ఒక ఆవిష్కరణ(ప్రకటింపబడింది) గొప్ప మలుపే అని చెప్పుకోవచ్చు. కనీసం మరో నాలుగైదు దశాబ్దాలు పడుతుందని అందరూ భావిస్తున్న క్వాంటమ్ కంప్యూటర్ పరిశోధనల కాలాన్ని కనీసం రెండు దశాబ్దాలు కుదించింది. అంటే అభివృద్ధి వేగవంతం అయింది. సందర్భం వచ్చింది కాబట్టి క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ గురించి క్లుప్తంగా అయినా తెలుసుకుందాము.

అసలు క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ అంటే ఏంటి?

క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ అనేది సాంప్రదాయ కంప్యూటర్ల కంటే చాలా భిన్నంగా పనిచేసే ఒక కొత్త తరహా కంప్యూటింగ్ టెక్నాలజీ(గణన సాంకేతికత). సాధారణ కంప్యూటర్లు(ఒకప్పుడు విరివిగా చూసిన డెస్కు టాపులు, ల్యాప్టాప్లు, ఫోన్లు) బిట్స్ అనే చిన్న సమాచార యూనిట్లను ఉపయోగిస్తాయి. ఇవి 0 లేదా 1 రూపంలో ఉంటాయి. అంటే వెలిగే బల్బ్, ఆరే బల్బ్. కానీ క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లు క్యూబిట్స్(క్వాంటమ్ బిట్స్) అనే యూనిట్లను ఉపయోగిస్తాయి. ఇవి 0 ఇంకా 1 రెండూ ఒకేసారి మనగలవు, దీన్ని “సూపర్పోజిషన్” అంటారు. ఈ ప్రత్యేకత వల్ల క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లు చాలా సంక్లిష్టమైన లెక్కలను సాధారణ కంప్యూటర్ల కంటే చాలా వేగంగా చేయగలవు.

క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్‌ను ఎలా అర్థం చేసుకోవాలి?

ఒక సాధారణ ఉదాహరణ, ఒక పెద్ద లైబ్రరీలో ఒక నిర్దిష్ట పుస్తకాన్ని వెతకాలనుకోండి. సాధారణ కంప్యూటర్ ఒక్కో పుస్తకాన్ని తెరిచి చూస్తూ వెతుకుతుంది. దీంతో చాలా సమయం తీసుకుంటుంది. కానీ క్వాంటమ్ కంప్యూటర్ అన్ని పుస్తకాలను ఒకేసారి చూడగలదు. దీని వల్ల చాలా తక్కువ సమయంలో పని పూర్తవుతుంది. ఈ సామర్థ్యం క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లను ప్రత్యేకంగా మారుస్తుంది.

క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లు ఎలా పనిచేస్తాయి?

సూపర్పోజిషన్: క్యూబిట్ 0 ఇంకా 1 రెండూ ఒకేసారి ఉండగలవు. దీని వల్ల ఒకేసారి ఎన్నో గణనలు లిప్తపాటు కన్నా తక్కువ సమయంలో చేయవచ్చు. అంటే ప్రస్తుత కంప్యూటర్లకన్నా కొన్ని లక్షల రెట్ల వేగంగా.

ఇంకా తేలికగా అర్థమయ్యేలా చెప్పుకుందాం. మీరు ఎక్స్‌(X) సోషల్‌ మీడియా వేదికలో లభ్యమయ్యే గ్రోక్నో, మైక్రోసాఫ్ట్ వారి కో పైలట్నో, లేదా విఖ్యాత చాట్‌ జీపీటీనో ఏదైన ఒక చిత్రాన్ని జనరేట్‌ చేయమని అడిగితే మనం తీసుకున్న సబ్స్క్రిప్షన్ మోడల్‌ను బట్టీ మనకు కాస్త సమయం(కొన్ని నిమిషాలు) పడుతుంది. అయితే, కొన్నిసార్లు మనం అడిగిన ప్రశ్నకు సమాధానం క్రమక్రమంగా రాస్తున్నట్లు కనిపిస్తుంది. అదే ఈ పని క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ ద్వారా జరిగితే నిముషాలు పడుతున్న పని మైక్రో సెకండ్లలో అయిపోతుంది.

ఇవాల్టి ఎపిసోడ్‌లో కెప్లర్ రెండవ సూత్రం కోసం అందించిన చిత్రం ఏఐ మోడల్ ద్వారా తయారు చేయటానికి 42 నిముషాలు పట్టింది. అదే క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ ద్వారా అయితే అర సెకనుకన్నా తక్కువ సమయం పడుతుంది.

ఎంటాంగిల్మెంట్: రెండు క్యూబిట్లు ఎంటాంగిల్ అయినప్పుడు(అంటే ఒకదానికి ఒకటి అనుసంధానం అయినప్పుడు), ఒక క్యూబిట్లో మార్పు వెంటనే మరొక క్యూబిట్ను ప్రభావితం చేస్తుంది, దూరం ఎంతైనా సరే. ఇది సమాచారాన్ని వేగంగా ప్రాసెస్ చేయడానికి, కమ్యూనికేట్ చేయటానికి ఉపయోగపడుతుంది.
ఇంటర్ ఫెరెన్స్: క్వాంటమ్ స్టేట్లను ఉపయోగించి సరైన సమాధానాలను ఎంచుకోవడం, తప్పు సమాధానాలను తొలగించడం.

క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లు ఎక్కడ ఉపయోగపడతాయి?

నూతన ఔషధాల ఆవిష్కరణ: కొత్త ఔషధాలను త్వరగా రూపొందించడానికి, అణువుల ప్రవర్తనను అర్థం చేసుకోవడానికి.

క్రిప్టోగ్రఫీ: పాస్వర్డ్లను బ్రేక్ చేయడం లేదా సురక్షితమైన కమ్యూనికేషన్ను(encrypted communication) సృష్టించడం. బ్రేక్ చేయలేని పాస్వర్డ్‌లు తయారుచేయటానికి.
వాతావరణ అంచనా: వాతావరణ మార్పులను మరింత స్పష్టంగా, కచ్చితంగా అంచనా వేయడం.
సప్లై చైన్: లాజిస్టిక్స్, రవాణా వంటి సంక్లిష్ట సమస్యలను సులభంగా పరిష్కరించడం.

సవాళ్లు ఏంటి?

ఎర్రర్లు: క్యూబిట్లు చాలా సున్నితమైనవి, చిన్న శబ్దం లేదా ఉష్ణోగ్రత మార్పు వల్ల ఎర్రర్లు వస్తాయి.
ఖర్చు: క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లు నిర్మించడం, నిర్వహించడం చాలా ఖర్చుతో కూడుకున్నది.
సాంకేతికత: ఇంకా పూర్తి స్థాయిలో అందుబాటులోకి రాలేదు, పరిశోధనలు జరుగుతున్నాయి.

మైక్రోసాఫ్ట్, గూగుల్, ఐబీఎం వంటి కంపెనీలు క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లను అభివృద్ధి చేస్తున్నాయి. “టోపోలాజికల్ క్యూబిట్లు” అనే టెక్నాలజీని అభివృద్ధి చేయటం వల్ల మైక్రోసాఫ్ట్ ఈ మధ్య పైన చెప్పుకున్న విధంగా గొప్ప పురోగతిని సాధించింది. ఇది ఎర్రర్లను తగ్గించి, క్వాంటమ్ కంప్యూటర్లను మరింత ఉపయోగకరంగా మార్చడానికి సహాయపడుతుంది.

చివరగా, క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ అనేది భవిష్యత్తులో చాలా పెద్ద సమస్యలను వేగంగా పరిష్కరించే సాంకేతికత, కానీ ఇది ఇంకా అభివృద్ధి దశలో ఉంది. రాబోయే 10-20 ఏళ్లలో ఇది మన జీవితాల్లో పెద్ద మార్పు తీసుకువస్తుంది. (ఈ సంవత్సరాంతానికి వ్యాస రచయిత వ్రాస్తున్న క్వాంటమ్ కంప్యూటింగ్ పుస్తకాలు రెండు పుస్తకాలు రాబోతున్నాయి. అందులో ఒకటి అకడమిక్స్‌కు, రెండు సాధారణ పాఠకులకు ఉద్దేశ్యించినది). అయితే, వీటి గురించి ముందు చాలా వివరంగా తెలుసుకుందాము.

ఇప్పుడు మనం కెప్లర్ వద్దకు వచ్చేద్దాము. కెప్లర్ గ్రహగమన సూత్రాలను వివరంగా తెలుసుకుందాము. ఇవి గ్రహాల కదలికను వివరించే మూడు ప్రాథమిక సూత్రాలు. ఈ సూత్రాలు ఆధునిక ఖగోళ శాస్త్రానికి ఆధారంగా ఉన్నాయి. టైకో బ్రాహె కచ్చితమైన పరిశీలన డేటా ఆధారంగా కెప్లర్ ఈ సూత్రాలను రూపొందించాడు.

మూడు సూత్రాల వివరణ..

• కెప్లర్ మొదటి గ్రహగమన సూత్రం(దీర్ఘవృత్తాకార నియమం – Law of Elliptical Orbit)గ్రహాలు సూర్యుని చుట్టూ దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్యలలో(Elliptical Orbits) పరిభ్రమిస్తాయి, సూర్యుడు ఆ దీర్ఘవృత్తాకారానికి ఏదో ఒక ఫోకస్ వద్ద ఉంటాడు.
• ఈ సూత్రం అప్పటి వరకు ఉన్న “గ్రహాలు వృత్తాకార కక్ష్యలలో తిరుగుతాయి” అనే భావనను మార్చివేసింది.
• దీర్ఘవృత్తం రెండు ఫోకస్ పాయింట్లను కలిగి ఉంటుంది, సూర్యుడు ఒక ఫోకస్ వద్ద ఉంటాడు, మరొక ఫోకస్ ఖాళీగా ఉంటుంది.
• గ్రహం కక్ష్య ఆకారం దీర్ఘవృత్త విస్తృతి (eccentricity)మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. ఉదాహరణకు, భూ కక్ష్య దాదాపు వృత్తాకారంగా ఉంటుంది(తక్కువ విస్తృతి). అయితే, ధూమకేతువుల(comet) కక్ష్యలు ఎక్కువ విస్తృతి కలిగి ఉంటాయి.

కెప్లర్ రెండవ గ్రహగమన సూత్రం

ఒక గ్రహం సూర్యుని చుట్టూ తిరిగే సమయంలో, గ్రహం నుండి సూర్యునికి గీసిన రేఖ(రేడియస్ వెక్టర్) సమాన
సమయంలో సమాన వైశాల్యాన్ని ఆవరిస్తుంది. దీని అర్థం, గ్రహం సూర్యునికి దగ్గరగా ఉన్నప్పుడు (పెరిహిలియన్) వేగంగా కదులుతుంది, సూర్యునికి దూరంగా ఉన్నప్పుడు (అపోహీలియన్) నెమ్మదిగా కదులుతుంది.

• ఈ సూత్రం గ్రహం కోణీయ గతిని సంరక్షణ సూత్రం(conservation of angular momentum)తో సంబంధితం చేస్తుంది. ఉదాహరణకు భూమి సూర్యునికి దగ్గరగా ఉన్నప్పుడు(జనవరిలో) వేగం ఎక్కువగా ఉంటుంది, దూరంగా ఉన్నప్పుడు(జూలైలో) వేగం తగ్గుతుంది.

కెప్లర్ మూడవ గ్రహగమన సూత్రం

జొహానెస్ కెప్లర్ మూడవ గ్రహగమన సూత్రం గ్రహాలు సూర్యుని చుట్టూ తిరిగే సమయం ఇంకా వాటి దూరం మధ్య సంబంధాన్ని చెబుతుంది. దీన్ని తేలికగా అర్థమయ్యేలా చెప్పాలంటే, ఒక గ్రహం సూర్యుని చుట్టూ ఒకసారి పూర్తిగా పరిభ్రమించటానికి(ఒక సంవత్సరం) తిరగడానికి పట్టే సమయం, ఆ గ్రహం సూర్యునికి ఎంత దూరంలో ఉందనే దానిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. దూరం ఎక్కువైతే, గ్రహానికి సూర్యుని చుట్టూ ఒక పరిభ్రమణం పూర్తి చేయడానికి ఎక్కువ సమయం పడుతుంది.

భూమి: భూమి సూర్యుని చుట్టూ ఒకసారి తిరగడానికి 365 రోజులు(1 సంవత్సరం) పడుతుంది. భూమి సూర్యునికి సగటున 143 మిలియన్ కిలో మీటర్ల దూరంలో ఉంటుంది.
శని: శని సూర్యునికి చాలా దూరంలో ఉంది. సుమారు 1445 మిలియన్ కిలోమీటర్లు. అందుకే శని సూర్యుని చుట్టూ ఒక ప్రదిక్షణ చేయడానికి 29.5 సంవత్సరాలు పడుతుంది.
బుధ గ్రహం: బుధ గ్రహం మిగిలిన వాటితో పోలిస్తే సూర్యునికి చాలా దగ్గరగా ఉంటుంది. సుమారు 58 మిలియన్ కిలోమీటర్లు. అందుకే ఇది ఒకసారి తిరగడానికి కేవలం 88 రోజులు మాత్రమే తీసుకుంటుంది.

సూత్రం సులభంగా అవగాహన చేసుకోవడానికి, ఒక గ్రహం సూర్యుని చుట్టూ తిరగడానికి పట్టే సమయం(T) సంబంధించిన వర్గం(T2), ఆ గ్రహం కక్ష్య సగటు దూరం(a) ఘనంలో(a3) సాధారణ అనుపాతంలో (directly proportional)ఉంటుంది. అంటే దీని అర్ధం, దూరం ఎక్కువైతే సమయం కూడా చాలా ఎక్కువ అవుతుంది.

ఎందుకు ఉపయోగపడుతుంది?

ఈ సూత్రం ఖగోళ శాస్త్రవేత్తలకు గ్రహాల దూరాలు, సమయాలను లెక్కించడంలో సహాయపడుతుంది. ఉదాహరణకు, ఒక గ్రహం సూర్యునికి ఎంత దూరంలో ఉందో తెలిస్తే, దాని ఒక సంవత్సరం ఎంత సమయం అని సులభంగా కనుక్కోవచ్చు. ఇది రాకెట్లు, ఉపగ్రహాలు పంపడంలో కూడా ఉపయోగపడుతుంది.