کوانٹم فائدہ کو تبدیل کرنا: IBM کا جے گیمبیٹا بغیر کسی رکاوٹ کے کوانٹم اور کلاسیکی کمپیوٹنگ کو مربوط کرنے پر

دنیا بھر میں کمپنیاں اور ریسرچ لیبز اپنی نوزائیدہ کوانٹم ٹیکنالوجیز کو لیب سے باہر اور حقیقی دنیا میں لانے کے لیے کام کر رہی ہیں، جس میں امریکی ٹیکنالوجی کمپنی IBM کلیدی کھلاڑی ہے۔ اس سال مئی میں، IBM Quantum نے اپنے تازہ ترین روڈ میپ کی نقاب کشائی کی۔ آنے والی دہائی میں کوانٹم کمپیوٹنگ کے مستقبل کے لیے، اور فرم نے کچھ مہتواکانکشی اہداف مقرر کیے ہیں۔ اس کا اعلان کر کے گزشتہ سال 127 کوانٹم بٹس کے ساتھ ایگل پروسیسر، کمپنی ہے اب 433-qubit Osprey پروسیسر تیار کر رہا ہے۔ اس سال کے آخر میں ڈیبیو کے لیے، 2023 میں 1121-کوبٹ کونڈور کی پیروی کی جائے گی۔

لیکن اس سے آگے، کمپنی کا کہنا ہے کہ، گیم اس طرح کے پروسیسرز کو ماڈیولر سرکٹس میں اسمبل کرنے کے لیے سوئچ کرے گا، جس میں چپس کو اسپارسر کوانٹم یا کلاسیکی انٹرکنیکشن کے ذریعے ایک ساتھ وائر کیا جاتا ہے۔ یہ کوشش 4158 میں اپنے 2025-کوبٹ کوکابورا ڈیوائس کے طور پر اس بات پر اختتام پذیر ہوگی۔ 100,000 یا اس سے زیادہ کیوبٹس والے پروسیسرز، غلطیوں کے بغیر کمپیوٹنگ کرنے کی اہلیت رکھتے ہیں جو فی الحال کوانٹم کمپیوٹنگ کو qubits کے شور کے لیے حل تلاش کرنے کا معاملہ بناتے ہیں۔ اس نقطہ نظر کے ساتھ، کمپنی کی کوانٹم کمپیوٹنگ ٹیم پراعتماد ہے کہ وہ ایک عمومی "کوانٹم فائدہ" حاصل کر سکتی ہے، جہاں کوانٹم کمپیوٹر کلاسیکی کمپیوٹرز کو مستقل طور پر بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کریں گے اور کلاسیکی آلات کے ذرائع سے آگے پیچیدہ کمپیوٹنگ کریں گے۔

جب وہ لندن میں جا رہے تھے۔ 28th برسلز میں سولوے کانفرنس، جس نے کوانٹم معلومات سے نمٹا، طبیعیات کی دنیا طبیعیات کے ساتھ پکڑا جے گیمبیٹاآئی بی ایم کوانٹم کے نائب صدر۔ پچھلی دو دہائیوں میں کمپنی کی زیادہ تر پیشرفت کی قیادت کرنے کے بعد، گیمبیٹا نے وضاحت کی کہ یہ اہداف کیسے حاصل کیے جاسکتے ہیں اور کوانٹم کمپیوٹنگ کے مستقبل کے لیے ان کی کیا ضرورت ہوگی۔

IBM Quantum میں آرٹ کی موجودہ حالت کیا ہے؟ کچھ اہم پیرامیٹرز کیا ہیں جن پر آپ توجہ مرکوز کر رہے ہیں؟

IBM روڈ میپ اسکیل کرنے کے بارے میں ہے - نہ صرف کیوبٹس کی تعداد بلکہ ان کی رفتار، معیار اور سرکٹ فن تعمیر۔ ہمارے پاس اب ہم آہنگی کے اوقات ہیں [دورانیہ جس کے لیے کوئبٹس مربوط رہتے ہیں اور کوانٹم کمپیوٹیشن کرنے کے قابل ہیں] ایگل پروسیسر میں 300 مائیکرو سیکنڈز [1 میں تقریباً 2010 μs کے مقابلے]، اور آلات کی اگلی نسل 300 ملی سیکنڈ تک پہنچ جائے گی۔ اور ہمارے کوئبٹس [سپر کنڈکٹنگ دھاتوں سے بنائے گئے] میں اب تقریباً 99.9 فیصد وفاداری ہے [ان میں ہر 1000 آپریشنز میں صرف ایک غلطی ہوتی ہے – 10 کی غلطی کی شرح^3-] میرے خیال میں اگلے سال کے آخر تک 99.99% ناممکن نہیں ہوگا۔

کوانٹم کمپیوٹرز کی پختگی کے لیے حتمی لٹمس ٹیسٹ، پھر، یہ ہے کہ کیا کوانٹم رن ٹائم کلاسیکی رن ٹائم کے ساتھ مسابقتی ہو سکتا ہے

لیکن چیزوں کو ذہانت سے کرنا صرف خام میٹرکس کو آگے بڑھانے سے زیادہ اہم ہونے جا رہا ہے۔ پروسیسر کا فن تعمیر تیزی سے اہم ہوتا جا رہا ہے۔ مجھے نہیں لگتا کہ ہم فی چپ 1000 کیوبٹس سے زیادہ حاصل کریں گے [جیسا کہ کنڈور پر]، لہذا اب ہم ماڈیولریٹی کو دیکھ رہے ہیں۔ اس طرح، ہم اس دہائی کے آخر تک 10,000 کیوبٹس کے پروسیسرز تک پہنچ سکتے ہیں۔ ہم چپس اور کوانٹم چینلز کے درمیان کلاسیکی کمیونیکیشن (الیکٹرونکس کو کنٹرول کرنے کے لیے) دونوں استعمال کرنے جا رہے ہیں جو کچھ الجھن پیدا کرتے ہیں (حساب سازی کرنے کے لیے)۔ یہ درمیانی چپ چینلز سست ہونے جا رہے ہیں - شاید خود سرکٹس سے 100 گنا سست۔ اور چینلز کی وفاداری کو 95 فیصد سے اوپر دھکیلنا مشکل ہوگا۔

اعلی کارکردگی والے کمپیوٹنگ کے لیے، جو چیز واقعی اہم ہے وہ رن ٹائم کو کم سے کم کرنا ہے - یعنی دلچسپی کے مسئلے کا حل پیدا کرنے میں لگنے والے وقت کو کم کرنا۔ کوانٹم کمپیوٹرز کی پختگی کے لیے حتمی لٹمس ٹیسٹ یہ ہے کہ آیا کوانٹم رن ٹائم کلاسیکی رن ٹائم کے ساتھ مسابقتی ہو سکتا ہے۔ ہم نے نظریاتی طور پر یہ دکھانا شروع کر دیا ہے کہ اگر آپ کے پاس ایک بڑا سرکٹ ہے جسے آپ چلانا چاہتے ہیں، اور آپ اسے چھوٹے سرکٹس میں تقسیم کرتے ہیں، تو جب بھی آپ کٹ لگائیں گے، آپ اسے کلاسیکی لاگت کے طور پر سوچ سکتے ہیں، جس سے رن ٹائم بڑھ جاتا ہے۔ تیزی سے لہذا مقصد یہ ہے کہ اس تیزی سے اضافہ کو جتنا ممکن ہو سکے 1 کے قریب رکھا جائے۔

دیے گئے سرکٹ کے لیے، رن ٹائم تیزی سے a پر منحصر ہوتا ہے۔ پیرامیٹر جسے ہم γ̄ کہتے ہیں۔ اقتدار پر اٹھایا گیا nd، کہاں n qubits کی تعداد ہے اور d گہرائی ہے [سرکٹ کے ان پٹ اور آؤٹ پٹ کے درمیان طویل ترین راستے کا ایک پیمانہ، یا مساوی طور پر سرکٹ کو چلانے کے لیے درکار وقت کے مراحل کی تعداد]۔ لہذا اگر ہم γ̄ 1 کے قریب سے ممکن ہو سکے حاصل کر سکتے ہیں، ہم ایک ایسے مقام پر پہنچ جاتے ہیں جہاں حقیقی کوانٹم فائدہ ہوتا ہے: رن ٹائم میں کوئی خاص اضافہ نہیں ہوتا۔ ہم آہنگی اور گیٹ فیڈیلیٹی [انٹرنسک ایرر ریٹ] میں بہتری کے ذریعے γ̄ کو کم کر سکتے ہیں۔ آخر کار ہم ایک ٹپنگ پوائنٹ پر پہنچیں گے جہاں، خامی کی تخفیف کے نمایاں اوور ہیڈ کے ساتھ بھی، ہم کلاسیکل کمپیوٹرز پر رن ​​ٹائم فوائد حاصل کر سکتے ہیں۔ اگر آپ γ̄ 1.001 تک پہنچ سکتے ہیں، تو رن ٹائم اس سے زیادہ تیز ہے اگر آپ ان سرکٹس کو کلاسیکی طور پر نقل کرتے ہیں۔ مجھے یقین ہے کہ ہم یہ کر سکتے ہیں – گیٹ فیڈیلیٹی میں بہتری اور qubits کے درمیان کراسسٹالک کو دبانے کے ساتھ، ہم نے پہلے ہی Falcon r1.008 [10-qubit] چپ پر 27 کی γ̄ پیمائش کر لی ہے۔

آپ غلطی کی تخفیف کے لیے ان میں بہتری کیسے لا سکتے ہیں؟

وفاداری کو بہتر بنانے کے لیے، ہم نے امکانی غلطی کی منسوخی کے نام سے ایک طریقہ اختیار کیا ہے۔arXiv:2201.09866]. خیال یہ ہے کہ آپ مجھے کام کا بوجھ بھیجیں گے اور میں آپ کو ان کے شور سے پاک تخمینے کے ساتھ پروسیس شدہ نتائج بھیجوں گا۔ آپ کہتے ہیں کہ میں چاہتا ہوں کہ آپ اس سرکٹ کو چلائیں۔ میں اپنے سسٹم میں موجود تمام شور کو نمایاں کرتا ہوں، اور میں بہت سے رنز بناتا ہوں اور پھر ان تمام نتائج کو ایک ساتھ پروسیس کرتا ہوں تاکہ آپ کو سرکٹ آؤٹ پٹ کا شور سے پاک تخمینہ مل سکے۔ اس طرح، ہم یہ ظاہر کرنا شروع کر رہے ہیں کہ غلطی کو دبانے اور غلطی کی تخفیف کے ساتھ مکمل غلطی کی اصلاح کے لیے جہاں ہم آج ہیں وہاں سے ایک تسلسل ہونے کا امکان ہے۔

تو آپ مکمل طور پر غلطی کو درست کرنے والے منطقی کوبٹس بنائے بغیر وہاں پہنچ سکتے ہیں؟

ایک منطقی qubit واقعی کیا ہے؟ لوگوں کا اصل میں اس سے کیا مطلب ہے؟ کیا واقعی اہم ہے: کیا آپ منطقی سرکٹس چلا سکتے ہیں، اور آپ انہیں اس طرح کیسے چلاتے ہیں کہ رن ٹائم ہمیشہ تیز تر ہوتا جا رہا ہے؟ منطقی کوبٹس بنانے کے بارے میں سوچنے کے بجائے، ہم اس بارے میں سوچ رہے ہیں کہ ہم کس طرح سرکٹس چلاتے ہیں اور صارفین کو جواب کا تخمینہ دیتے ہیں، اور پھر رن ٹائم کے حساب سے اس کی مقدار درست کرتے ہیں۔

جب آپ عام غلطی کی تصحیح کرتے ہیں، تو آپ وہی درست کرتے ہیں جو آپ کے خیال میں جواب اس وقت تک ہوتا۔ آپ ایک حوالہ فریم اپ ڈیٹ کرتے ہیں۔ لیکن ہم غلطی کی تخفیف کے ذریعے غلطی کی اصلاح حاصل کریں گے۔ 1 کے برابر γ̄ کے ساتھ، میں مؤثر طریقے سے غلطی کی اصلاح کروں گا، کیونکہ تخمینوں کو آپ جتنا چاہیں بہتر کرنے کے لیے کوئی اوور ہیڈ نہیں ہے۔

اس طرح، ہمارے پاس مؤثر طریقے سے منطقی qubits ہوں گے، لیکن وہ مسلسل داخل کیے جائیں گے۔ لہذا ہم اس کے بارے میں اعلی سطح پر سوچنا شروع کر رہے ہیں۔ ہمارا نظریہ صارف کے نقطہ نظر سے، ایک تسلسل بنانا ہے جو تیز سے تیز تر ہوتا جائے۔ کوانٹم کمپیوٹرز کی پختگی کے لیے حتمی لٹمس ٹیسٹ، پھر، یہ ہے کہ آیا کوانٹم رن ٹائم کلاسیکی رن ٹائم کے ساتھ مسابقتی ہو سکتا ہے۔

یہ اس سے بہت مختلف ہے جو دوسری کوانٹم فرمیں کر رہی ہیں، لیکن مجھے بہت حیرت ہو گی اگر یہ عام نظریہ نہیں بنتا ہے – میں شرط لگاتا ہوں کہ آپ لوگوں کو رن ٹائمز کا موازنہ کرتے ہوئے دیکھنا شروع کر دیں گے، غلطی کی اصلاح کی شرح نہیں۔

ہم جو کچھ کر رہے ہیں وہ صرف عام طور پر کمپیوٹنگ ہے، اور ہم اسے کوانٹم پروسیسر کے ذریعے فروغ دے رہے ہیں۔

اگر آپ ماڈیولر ڈیوائسز کو کلاسیکی کنکشن کے ساتھ بناتے ہیں، تو کیا اس کا مطلب یہ ہے کہ مستقبل واقعی کوانٹم بمقابلہ کلاسیکل نہیں ہے، بلکہ کوانٹم ہے اور کلاسیکی؟

جی ہاں. کلاسیکل اور کوانٹم کو ایک ساتھ لانا آپ کو مزید کام کرنے کی اجازت دے گا۔ اسی کو میں کوانٹم سرپلس کہتا ہوں: کوانٹم وسائل کا استعمال کرتے ہوئے سمارٹ طریقے سے کلاسیکی کمپیوٹنگ کرنا۔

اگر میں جادو کی چھڑی لہرا سکتا ہوں تو میں اسے کوانٹم کمپیوٹنگ نہیں کہوں گا۔ میں واپس جاؤں گا اور واقعی کہوں گا کہ ہم جو کچھ کر رہے ہیں وہ صرف عام طور پر کمپیوٹنگ ہے، اور ہم اسے کوانٹم پروسیسر کے ذریعے فروغ دے رہے ہیں۔ میں کیچ فریز "کوانٹم سینٹرک سپر کمپیوٹنگ" استعمال کرتا رہا ہوں۔ یہ واقعی اس میں کوانٹم شامل کرکے کمپیوٹنگ کو تیز کرنے کے بارے میں ہے۔ مجھے واقعی لگتا ہے کہ یہ فن تعمیر ہوگا۔

تکنیکی رکاوٹیں کیا ہیں؟ کیا اس سے کوئی فرق پڑتا ہے کہ ان آلات کو کرائیوجینک کولنگ کی ضرورت ہے؟

یہ واقعی کوئی بڑی بات نہیں ہے۔ ایک بڑی بات یہ ہے کہ اگر ہم اپنے روڈ میپ کو جاری رکھتے ہیں، تو میں الیکٹرانکس کی قیمت اور اس کے ارد گرد چلنے والی تمام چیزوں کے بارے میں فکر مند ہوں۔ ان اخراجات کو کم کرنے کے لیے، ہمیں ایک ماحولیاتی نظام تیار کرنے کی ضرورت ہے۔ اور ہم بحیثیت کمیونٹی ابھی تک اس ماحول کو بنانے کے لیے کافی نہیں کر رہے ہیں۔ میں بہت سے لوگوں کو صرف الیکٹرانکس پر توجہ مرکوز کرتے ہوئے نہیں دیکھ رہا ہوں، لیکن مجھے لگتا ہے کہ ایسا ہوگا۔

کیا اب تمام سائنس مکمل ہو چکی ہے، تاکہ اب یہ انجینئرنگ کا معاملہ ہو؟

ایسا کرنے کے لیے سائنس ہمیشہ موجود رہے گی، خاص طور پر جب آپ غلطی کی تخفیف سے غلطی کی اصلاح تک اس راستے کو چارٹ کرتے ہیں۔ آپ چپ میں کس قسم کی کنیکٹیویٹی بنانا چاہتے ہیں؟ کنکشنز کیا ہیں؟ یہ سب بنیادی سائنس ہیں۔ مجھے لگتا ہے کہ ہم اب بھی غلطی کی شرح کو 10 تک بڑھا سکتے ہیں۔^-5. ذاتی طور پر، میں چیزوں کو "سائنس" یا "ٹیکنالوجی" کا لیبل لگانا پسند نہیں کرتا۔ ہم ایک اختراع بنا رہے ہیں۔ میرے خیال میں یقینی طور پر ان آلات کے ٹولز بننے میں ایک تبدیلی ہے، اور سوال یہ بنتا ہے کہ ہم ان چیزوں کو سائنس کے لیے کیسے استعمال کرتے ہیں، بجائے اس کے کہ ٹول بنانے کی سائنس کے بارے میں۔

کیا آپ پریشان ہیں کہ کوئی کوانٹم بلبلہ ہو سکتا ہے؟

نہیں، میرے خیال میں کوانٹم فائدہ کو دو چیزوں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ سب سے پہلے، آپ اصل میں کوانٹم ہارڈ ویئر پر سرکٹس کو تیزی سے کیسے چلاتے ہیں؟ مجھے یقین ہے کہ میں اس کے بارے میں پیشین گوئیاں کر سکتا ہوں۔ اور دوسرا، آپ اصل میں ان سرکٹس کو کس طرح استعمال کرتے ہیں، اور انہیں ایپلی کیشنز سے کیسے جوڑتے ہیں؟ کوانٹم پر مبنی طریقہ صرف کلاسیکی طریقہ سے بہتر کیوں کام کرتا ہے؟ یہ سائنس کے بہت مشکل سوالات ہیں۔ اور وہ ایسے سوالات ہیں جن میں اعلیٰ توانائی کے ماہر طبیعیات، مادّی سائنس دان اور کوانٹم کیمسٹ سبھی دلچسپی رکھتے ہیں۔ میرے خیال میں یقینی طور پر ایک مطالبہ ہونے والا ہے – ہم اسے پہلے ہی دیکھ چکے ہیں۔ ہم دیکھ رہے ہیں کہ کچھ کاروباری اداروں کو بھی دلچسپی ہو رہی ہے، لیکن کوانٹم کو سائنس کرنے کا ایک ذریعہ بننے کے بجائے حقیقی حل تلاش کرنے میں کچھ وقت لگے گا۔

میں اسے ایک ہموار منتقلی کے طور پر دیکھتا ہوں۔ ایپلیکیشن کا ایک بڑا ممکنہ علاقہ وہ مسائل ہیں جن میں کسی قسم کی ساخت کے ساتھ ڈیٹا ہوتا ہے، خاص طور پر ڈیٹا جس کے لیے کلاسیکی طور پر ارتباط تلاش کرنا بہت مشکل ہوتا ہے۔ فنانس اور میڈیسن دونوں کو اس طرح کے مسائل کا سامنا ہے، اور کوانٹم طریقے جیسے کوانٹم مشین لرننگ باہمی ربط تلاش کرنے میں بہت اچھے ہیں۔ یہ ایک طویل راستہ ہونے والا ہے، لیکن یہ ان کے لیے سرمایہ کاری کے قابل ہے۔

شور کے فیکٹرنگ الگورتھم جیسے حملوں کے خلاف کمپیوٹیشن کو محفوظ رکھنے کے بارے میں کیا خیال ہے، جو فیکٹرائزیشن کی بنیاد پر موجودہ عوامی کلیدی کرپٹوگرافک طریقوں کو توڑنے کے لیے کوانٹم طریقوں کو استعمال کرتا ہے؟

ہر کوئی شور کے الگورتھم کے خلاف محفوظ رہنا چاہتا ہے - اسے اب "کوانٹم سیف" کہا جا رہا ہے۔ ہمارے پاس الگورتھم میں بہت سی بنیادی تحقیق ہے، لیکن اسے کیسے بنایا جائے یہ ایک اہم سوال بننے جا رہا ہے۔ ہم اسے اپنی پروڈکٹس میں شامل کرنے کی بجائے پوری طرح سے تحقیقات کر رہے ہیں۔ اور ہمیں یہ پوچھنے کی ضرورت ہے کہ ہم یہ کیسے یقینی بناتے ہیں کہ ہمارے پاس کلاسیکل انفراسٹرکچر موجود ہے جو کوانٹم کے لیے محفوظ ہے۔ یہ مستقبل کس طرح چلتا ہے اگلے چند سالوں میں بہت اہم ہونے والا ہے - آپ زمین سے کوانٹم محفوظ ہارڈ ویئر کیسے بناتے ہیں۔

میری کامیابی کی تعریف یہ ہے کہ جب زیادہ تر صارفین کو یہ بھی معلوم نہیں ہوگا کہ وہ کوانٹم کمپیوٹر استعمال کر رہے ہیں۔

کیا آپ اس رفتار پر حیران ہوئے ہیں جس سے کوانٹم کمپیوٹنگ پہنچی ہے؟

کسی ایسے شخص کے لئے جو 2000 سے میری طرح اس میں گہرائی میں ہے، یہ اس راستے کے قریب ہے جس کی پیش گوئی کی گئی تھی۔ مجھے 2011 سے ایک اندرونی IBM روڈ میپ پر واپس جانا یاد ہے اور یہ کافی جگہ پر تھا۔ میں نے سوچا کہ تب میں چیزیں بنا رہا ہوں! عام طور پر، مجھے ایسا لگتا ہے جیسے لوگ زیادہ اندازہ لگا رہے ہیں کہ اس میں کتنا وقت لگے گا۔ جیسا کہ ہم زیادہ سے زیادہ ترقی یافتہ ہوتے جا رہے ہیں، اور لوگ ان آلات پر کوانٹم انفارمیشن آئیڈیاز لاتے ہیں، اگلے چند سالوں میں ہم بڑے سرکٹس چلانے کے قابل ہو جائیں گے۔ پھر یہ اس بارے میں ہوگا کہ آپ کو کس قسم کے فن تعمیر کی ضرورت ہے، کلسٹرز کتنے بڑے ہیں، آپ کس قسم کے مواصلاتی چینلز استعمال کرتے ہیں، وغیرہ۔ یہ سوالات آپ جس قسم کے سرکٹس چلا رہے ہیں اس کی وجہ سے ہوں گے: ہم مخصوص قسم کے سرکٹس کے لیے مشینیں کیسے بنانا شروع کر سکتے ہیں؟ سرکٹس کی خصوصیت ہوگی۔

کوانٹم کمپیوٹنگ کے لیے 2030 کیسا نظر آئے گا؟

کامیابی کی میری تعریف یہ ہے کہ جب زیادہ تر صارفین کو یہ بھی معلوم نہیں ہوگا کہ وہ کوانٹم کمپیوٹر استعمال کر رہے ہیں، کیونکہ یہ ایک ایسے فن تعمیر میں بنایا گیا ہے جو کلاسیکل کمپیوٹنگ کے ساتھ بغیر کسی رکاوٹ کے کام کرتا ہے۔ اس کے بعد کامیابی کا پیمانہ یہ ہوگا کہ یہ زیادہ تر لوگوں کے لیے پوشیدہ ہے جو اسے استعمال کرتے ہیں، لیکن یہ کسی نہ کسی طرح ان کی زندگی کو بڑھاتا ہے۔ ہوسکتا ہے کہ آپ کا موبائل فون کوئی ایسی ایپ استعمال کرے جو کوانٹم کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے اس کا تخمینہ لگائے۔ 2030 میں ہم اس سطح پر نہیں ہوں گے لیکن مجھے لگتا ہے کہ اس وقت تک ہمارے پاس بہت بڑی مشینیں ہوں گی اور وہ اس سے کہیں زیادہ ہوں گی جو ہم کلاسیکی طور پر کر سکتے ہیں۔