کوانٹم کمپیوٹنگ میں کامیابیوں کا سلسلہ
ایک عام کمپیوٹر، جسے اب کلاسیکی یا روایتی کمپیوٹر کہا جاتا ہے، 0s اور 1s (zeroes اور ones) کے بنیادی تصور پر کام کرتا ہے۔ جب ہم پوچھتے ہیں۔ کمپیوٹر ہمارے لیے کوئی کام کرنے کے لیے، مثال کے طور پر ریاضی کا حساب کتاب یا کسی ملاقات کی بکنگ یا روزمرہ کی زندگی سے متعلق کوئی بھی چیز، اس وقت اس کام کو 0s اور 1s کی تار میں تبدیل (یا ترجمہ) کیا جاتا ہے (جسے پھر ان پٹ)، اس ان پٹ کو الگورتھم کے ذریعے پروسیس کیا جاتا ہے (کمپیوٹر پر کسی کام کو مکمل کرنے کے لیے ان اصولوں کے سیٹ کے طور پر بیان کیا جاتا ہے)۔ اس پروسیسنگ کے بعد، 0s اور 1s کی ایک نئی سٹرنگ واپس آتی ہے (جسے آؤٹ پٹ کہا جاتا ہے)، اور یہ متوقع نتیجہ کے لیے انکوڈ کرتا ہے اور صارف کے لیے آسان معلومات میں اس کا ترجمہ "جواب" کے طور پر کیا جاتا ہے جو صارف کمپیوٹر سے کرنا چاہتا تھا۔ . یہ دلچسپ ہے کہ الگورتھم کتنا ہی ہوشیار یا چالاک کیوں نہ ہو اور کام کی مشکل کی سطح کچھ بھی ہو، کمپیوٹر الگورتھم صرف یہ ایک کام کرتا ہے - بٹس کی سٹرنگ کو جوڑنا - جہاں ہر بٹ یا تو 0 یا 1 ہے۔ ہیرا پھیری کمپیوٹر پر ہوتی ہے (سافٹ ویئر کے آخر میں) اور مشین کی سطح پر اس کی نمائندگی الیکٹریکل سرکٹس (کمپیوٹر مدر بورڈ پر) کرتی ہے۔ ہارڈ ویئر کی اصطلاح میں جب کرنٹ ان برقی سرکٹس سے گزرتا ہے تو یہ بند ہوتا ہے اور جب کرنٹ نہ ہوتا ہے تو کھلا رہتا ہے۔
کلاسیکل بمقابلہ کوانٹم کمپیوٹر
لہذا، کلاسیکی کمپیوٹرز میں، تھوڑا سا معلومات کا ایک واحد ٹکڑا ہے جو دو ممکنہ حالتوں میں موجود ہوسکتا ہے - 0 یا 1۔ تاہم، اگر ہم بات کرتے ہیں۔ کوانٹم کمپیوٹرز، وہ عام طور پر کوانٹم بٹس استعمال کرتے ہیں (جسے 'کوبٹس' بھی کہا جاتا ہے)۔ یہ دو حالتوں کے ساتھ کوانٹم سسٹمز ہیں، تاہم، معمول کے بٹ (0 یا 1 کے طور پر ذخیرہ) کے برعکس، qubits بہت زیادہ معلومات ذخیرہ کر سکتے ہیں اور ان اقدار کے کسی بھی قیاس میں موجود ہو سکتے ہیں۔ بہتر طریقے سے وضاحت کرنے کے لیے، ایک qubit کو ایک خیالی کرہ تصور کیا جا سکتا ہے، جہاں qubit کرہ پر کوئی بھی نقطہ ہو سکتا ہے۔ یہ کہا جا سکتا ہے کہ کوانٹم کمپیوٹنگ ذیلی ایٹمی ذرات کی کسی بھی وقت ایک سے زیادہ حالتوں میں موجود ہونے کی صلاحیت کا فائدہ اٹھاتی ہے اور پھر بھی باہمی طور پر الگ ہوتی ہے۔ دوسری طرف، کلاسیکل بٹ صرف دو حالتوں میں ہو سکتا ہے - مثال کرہ کے دو قطبوں کے آخر میں۔ عام زندگی میں ہم اس 'سپرپوزیشن' کو نہیں دیکھ پاتے کیونکہ ایک بار جب کسی نظام کو مکمل طور پر دیکھا جائے تو یہ سپرپوزیشنز غائب ہو جاتی ہیں اور یہی وجہ ہے کہ اس طرح کی سپرپوزیشن کی سمجھ واضح نہیں ہوتی۔
کمپیوٹرز کے لیے اس کا مطلب یہ ہے کہ qubits استعمال کرنے والے کوانٹم کمپیوٹر کلاسیکل کمپیوٹر کے مقابلے میں کم توانائی استعمال کرتے ہوئے بہت زیادہ معلومات کو ذخیرہ کر سکتے ہیں اور اس طرح کوانٹم کمپیوٹر پر آپریشنز یا حسابات نسبتاً زیادہ تیزی سے کیے جا سکتے ہیں۔ لہذا، ایک کلاسیکل کمپیوٹر 0 یا 1 لے سکتا ہے، اس کمپیوٹر میں دو بٹس چار ممکنہ حالتوں (00، 01، 10 یا 11) میں ہوسکتے ہیں، لیکن کسی بھی وقت صرف ایک ہی حالت کی نمائندگی کی جاتی ہے۔ دوسری طرف ایک کوانٹم کمپیوٹر ان ذرات کے ساتھ کام کرتا ہے جو سپرپوزیشن میں ہو سکتے ہیں، جس سے دو کوبٹس کو ایک ہی وقت میں عین چار حالتوں کی نمائندگی کرنے کی اجازت ملتی ہے کیونکہ سپر پوزیشن کی خاصیت کمپیوٹرز کو 'بائنری رکاوٹ' سے آزاد کرتی ہے۔ یہ بیک وقت چلنے والے چار کمپیوٹرز کے برابر ہو سکتا ہے اور اگر ہم ان کوبٹس کو شامل کریں تو کوانٹم کمپیوٹر کی طاقت تیزی سے بڑھ جاتی ہے۔ کوانٹم کمپیوٹرز کوانٹم فزکس کی ایک اور خاصیت سے بھی فائدہ اٹھاتے ہیں جسے 'کوانٹم اینٹگلمنٹ' کہا جاتا ہے، جس کی وضاحت البرٹ آئن سٹائن نے کی ہے، الجھاؤ ایک ایسی خاصیت ہے جو کوانٹم ذرات کو جوڑنے اور بات چیت کرنے کی اجازت دیتی ہے، قطع نظر اس کے کہ ان کا مقام کچھ بھی ہو۔ کائنات تاکہ ایک کی حالت بدلنے سے دوسرے پر فوری اثر پڑے۔ 'سپرپوزیشن' اور 'اینگلمنٹ' کی دوہری صلاحیتیں اصولی طور پر کافی طاقتور ہیں۔ لہذا، کلاسیکی کمپیوٹرز کے مقابلے میں ایک کوانٹم کمپیوٹر جو کچھ حاصل کر سکتا ہے وہ ناقابل تصور ہے۔ یہ سب بہت دلچسپ اور سیدھا لگتا ہے، تاہم، اس منظر نامے میں ایک مسئلہ ہے۔ ایک کوانٹم کمپیوٹر، اگر qubits (superposed bits) کو اپنے ان پٹ کے طور پر لیتا ہے، تو اس کا آؤٹ پٹ بھی اسی طرح کوانٹم حالت میں ہوگا یعنی ایک آؤٹ پٹ جس میں سپرپوزڈ بٹس ہوں گے جو اس حالت کے لحاظ سے بھی بدلتے رہ سکتے ہیں کہ یہ کس حالت میں ہے۔ t واقعی ہمیں تمام معلومات حاصل کرنے کی اجازت دیتا ہے اور اس لیے کوانٹم کمپیوٹنگ کے فن میں سب سے بڑا چیلنج اس کوانٹم آؤٹ پٹ سے زیادہ سے زیادہ معلومات حاصل کرنے کے طریقے تلاش کرنا ہے۔
کوانٹم کمپیوٹر یہاں ہوگا!
کوانٹم کمپیوٹرز کو کوانٹم میکینکس کے اصولوں کی بنیاد پر طاقتور مشینوں کے طور پر بیان کیا جا سکتا ہے جو معلومات کی پروسیسنگ کے لیے بالکل نیا طریقہ اختیار کرتے ہیں۔ وہ فطرت کے پیچیدہ قوانین کو تلاش کرنے کی کوشش کرتے ہیں جو ہمیشہ سے موجود ہیں لیکن عام طور پر پوشیدہ رہتے ہیں۔ اگر اس طرح کے قدرتی مظاہر کو تلاش کیا جا سکتا ہے، تو کوانٹم کمپیوٹنگ معلومات پر کارروائی کرنے کے لیے نئی قسم کے الگورتھم چلا سکتی ہے اور اس سے میٹریل سائنس، منشیات کی دریافت، روبوٹکس اور مصنوعی ذہانت میں جدید پیش رفت ہو سکتی ہے۔ کوانٹم کمپیوٹر کا خیال 1982 میں امریکی نظریاتی طبیعیات دان رچرڈ فین مین نے پیش کیا تھا۔ اور آج ٹیکنالوجی کمپنیاں (جیسے آئی بی ایم، مائیکروسافٹ، گوگل، انٹیل) اور تعلیمی ادارے (جیسے ایم آئی ٹی، اور پرنسٹن یونیورسٹی) کوانٹم پر کام کر رہے ہیں۔ ایک مین اسٹریم کوانٹم کمپیوٹر بنانے کے لیے کمپیوٹر پروٹو ٹائپس۔ انٹرنیشنل بزنس مشینز کارپوریشن (IBM) نے حال ہی میں کہا ہے کہ اس کے سائنسدانوں نے ایک طاقتور کوانٹم کمپیوٹنگ پلیٹ فارم بنایا ہے اور اسے رسائی کے لیے دستیاب کیا جا سکتا ہے لیکن تبصرہ کریں کہ زیادہ تر کاموں کو انجام دینے کے لیے یہ کافی نہیں ہے۔ ان کا کہنا ہے کہ 50 کیوبٹ پروٹوٹائپ جو اس وقت تیار کیا جا رہا ہے وہ بہت سے مسائل کو حل کر سکتا ہے جو آج کل کلاسیکی کمپیوٹرز کرتے ہیں اور مستقبل میں 50-100 کیوبٹ کمپیوٹر اس خلا کو بڑے پیمانے پر پُر کریں گے یعنی صرف چند سو کیوبٹس والا کوانٹم کمپیوٹر۔ معلوم میں موجود ایٹموں سے زیادہ حساب بیک وقت انجام دیں۔ کائنات. حقیقت پسندانہ طور پر، وہ راستہ جہاں ایک کوانٹم کمپیوٹر درحقیقت ایک کلاسیکی کمپیوٹر کو مشکل کاموں میں پیچھے چھوڑ سکتا ہے، مشکلات اور چیلنجوں سے بھرا ہوا ہے۔ حال ہی میں Intel نے اعلان کیا ہے کہ کمپنی کا نیا 49-qubit کوانٹم کمپیوٹر اس "کوانٹم بالادستی" کی طرف ایک قدم کی نمائندگی کرتا ہے، اس کمپنی کے لیے ایک بڑی پیش رفت ہے جس نے صرف 17 ماہ قبل 2-bit qubit سسٹم کا مظاہرہ کیا تھا۔ ان کی ترجیح یہ ہے کہ پروجیکٹ کو بڑھاتے رہیں، اس سمجھ کی بنیاد پر کہ کوانٹم کمپیوٹر بنانے کے لیے کیوبٹس کی تعداد کو بڑھانا کلید ہے جو حقیقی دنیا کے نتائج فراہم کر سکتے ہیں۔
کوانٹم کمپیوٹر بنانے کے لیے مواد کلیدی حیثیت رکھتا ہے۔
مواد سلکان کئی دہائیوں سے کمپیوٹنگ کا ایک لازمی حصہ رہا ہے کیونکہ اس کی صلاحیتوں کا کلیدی سیٹ اسے عام (یا کلاسیکی) کمپیوٹنگ کے لیے موزوں بناتا ہے۔ تاہم، جہاں تک کوانٹم کمپیوٹنگ کا تعلق ہے، سلیکون پر مبنی حل بنیادی طور پر دو وجوہات کی بناء پر نہیں اپنائے گئے ہیں، ایک تو یہ کہ سلیکون پر تیار ہونے والے کوئبٹس کو کنٹرول کرنا مشکل ہے، اور دوم، یہ ابھی تک واضح نہیں ہے کہ آیا سلیکون کیوبٹس کی پیمائش کے ساتھ ساتھ دیگر حل. ایک بڑی ترقی میں انٹیل نے حال ہی میں ترقی کی ہے۔1 qubit کی ایک نئی قسم جسے 'spin qubit' کہا جاتا ہے جو روایتی سلکان پر تیار ہوتا ہے۔ سپن کوئبٹس سیمی کنڈکٹر الیکٹرانکس سے ملتے جلتے ہیں اور وہ سلیکون ڈیوائس پر ایک ہی الیکٹران کے گھماؤ کا فائدہ اٹھا کر اور چھوٹی مائکروویو دالوں کے ساتھ حرکت کو کنٹرول کر کے اپنی کوانٹم پاور فراہم کرتے ہیں۔ دو بڑے فائدے جن کی وجہ سے انٹیل اس سمت میں آگے بڑھتا ہے، سب سے پہلے Intel بطور کمپنی سلیکون انڈسٹری میں پہلے ہی بہت زیادہ سرمایہ کاری کر رہی ہے اور اس طرح وہ سلیکون میں صحیح مہارت رکھتی ہے۔ دوم، سلیکون کیوبٹس زیادہ فائدہ مند ہیں کیونکہ وہ روایتی کیوبٹس سے چھوٹے ہیں، اور ان سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ طویل عرصے تک ہم آہنگی برقرار رکھیں گے۔ جب کوانٹم کمپیوٹنگ سسٹم کو سکیل اپ کرنے کی ضرورت ہوتی ہے (مثلاً 100-کوبٹ سے 200-کوبٹ تک جانا) تو یہ سب سے اہم ہے۔ Intel اس پروٹوٹائپ کی جانچ کر رہا ہے اور کمپنی کو توقع ہے کہ وہ چپس تیار کرے گی جس میں ہزاروں چھوٹے کوبٹ ارے ہوں گے اور ایسی پروڈکشن جب بلک میں کی جائے تو کوانٹم کمپیوٹرز کو بڑھانے کے لیے بہت اچھا ہو سکتا ہے اور یہ حقیقی گیم چینجر ثابت ہو سکتا ہے۔
میں شائع ہونے والی ایک حالیہ تحقیق میں سائنسفوٹوونک کرسٹل کے لیے ایک نیا ڈیزائن کردہ پیٹرن (یعنی فوٹوونک چپ پر لاگو کرسٹل ڈیزائن) یونیورسٹی آف میری لینڈ، USA کی ایک ٹیم نے تیار کیا ہے، جس کا ان کا دعویٰ ہے کہ کوانٹم کمپیوٹرز کو مزید قابل رسائی بنائے گا۔2. یہ فوٹون روشنی کی سب سے چھوٹی مقدار ہیں جو معلوم ہوتی ہیں اور یہ کرسٹل سوراخوں سے جڑے ہوئے تھے جس کی وجہ سے روشنی کا تعامل ہوتا ہے۔ سوراخ کے مختلف نمونے روشنی کے جھکنے اور کرسٹل کے ذریعے اچھالنے کے طریقے کو تبدیل کرتے ہیں اور یہاں ہزاروں تکونی سوراخ بنائے گئے تھے۔ کوانٹم کمپیوٹر بنانے کے عمل کے لیے سنگل فوٹون کا اس طرح کا استعمال اہم ہے کیونکہ کمپیوٹرز پھر بڑی تعداد اور کیمیائی رد عمل کا حساب لگانے کی صلاحیت رکھتے ہیں جو موجودہ کمپیوٹرز کرنے کے قابل نہیں ہیں۔ چپ کا ڈیزائن کوانٹم کمپیوٹرز کے درمیان فوٹونز کی منتقلی کو بغیر کسی نقصان کے ممکن بناتا ہے۔ اس نقصان کو کوانٹم کمپیوٹرز کے لیے ایک بڑے چیلنج کے طور پر بھی دیکھا گیا ہے اور اس طرح یہ چپ اس مسئلے کا خیال رکھتی ہے اور اس کے موثر راستے کی اجازت دیتی ہے۔ کوانٹم ایک نظام سے دوسرے نظام تک معلومات۔
مستقبل
کوانٹم کمپیوٹر کسی بھی روایتی سپر کمپیوٹر سے کہیں زیادہ حسابات چلانے کا وعدہ کرتے ہیں۔ ان میں نئے مادوں کی دریافت میں انقلاب لانے کی صلاحیت ہے جس سے مادے کے رویے کو ایٹم کی سطح تک نقل کرنا ممکن بنایا جا سکتا ہے۔ یہ مصنوعی ذہانت اور روبوٹکس کے لیے ڈیٹا کو تیزی سے اور زیادہ مؤثر طریقے سے پروسیس کرنے کی امید بھی پیدا کرتا ہے۔ تجارتی طور پر قابل عمل کوانٹم کمپیوٹنگ سسٹم کی فراہمی آنے والے سالوں میں کسی بھی بڑی تنظیم کے ذریعے کی جا سکتی ہے کیونکہ یہ تحقیق اب بھی کھلی ہوئی ہے اور سب کے لیے ایک منصفانہ کھیل ہے۔ آنے والے پانچ سے سات سالوں میں بڑے اعلانات متوقع ہیں اور مثالی طور پر پیشرفت کے سلسلے کے ساتھ بات کرتے ہوئے، انجینئرنگ کے مسائل کو حل کیا جانا چاہئے اور 1 ملین یا اس سے زیادہ کیوبٹس کا کوانٹم کمپیوٹر ایک حقیقت ہونا چاہئے۔
***
{آپ اصل تحقیقی مقالے کو ذیل میں دیے گئے DOI لنک پر کلک کر کے پڑھ سکتے ہیں جو حوالہ دیئے گئے ماخذ کی فہرست میں ہے}
ذرائع)
1. Castelvecchi D. 2018. سلیکون نے کوانٹم کمپیوٹنگ کی دوڑ میں کامیابی حاصل کی۔ فطرت 553(7687)۔ https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. سبیاساچی بی وغیرہ۔ 2018. ایک ٹاپولوجیکل کوانٹم آپٹکس انٹرفیس۔ سائنس 359(6376)۔ https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
