کوانٹ نیٹ کی ٹیسٹ بیڈ اختراعات: کوانٹم نیٹ ورک کا دوبارہ تصور کرنا - فزکس ورلڈ

آج کا انٹرنیٹ کلاسیکل بٹس اور معلومات کے بائٹس کو عالمی، یہاں تک کہ انٹرسٹیلر، فاصلوں پر تقسیم کرتا ہے۔ کل کا کوانٹم انٹرنیٹ، دوسری طرف، میٹروپولیٹن، علاقائی اور طویل فاصلے تک چلنے والے آپٹیکل نیٹ ورکس کے اندر جسمانی طور پر دور کوانٹم نوڈس میں - فوٹون کا استعمال کرتے ہوئے کوانٹم اینگلمنٹ کی تقسیم کے ذریعے - کوانٹم معلومات کے ریموٹ کنکشن، ہیرا پھیری اور ذخیرہ کرنے کے قابل بنائے گا۔ سائنس، قومی سلامتی اور وسیع تر معیشت کے لیے مواقع زبردست ہیں اور پہلے ہی نظر آرہے ہیں۔

کوانٹم میکینکس کے اصولوں کا استحصال کرتے ہوئے - سپرپوزیشن، الجھاؤ اور "نان کلوننگ" تھیوریم، مثال کے طور پر - کوانٹم نیٹ ورک ہر قسم کی منفرد ایپلی کیشنز کو فعال کریں گے جو کلاسیکی نیٹ ورکنگ ٹیکنالوجیز کے ساتھ ممکن نہیں ہیں۔ حکومت، مالیات، صحت کی دیکھ بھال اور فوج کے لیے کوانٹم-انکرپٹڈ مواصلاتی اسکیموں کے بارے میں سوچیں۔ الٹرا ہائی ریزولوشن کوانٹم سینسنگ اور میٹرولوجی برائے سائنسی تحقیق اور طب؛ اور، بالآخر، عالمی نیٹ ورکس میں محفوظ طریقے سے منسلک کلاؤڈ بیسڈ کوانٹم کمپیوٹنگ وسائل کا بڑے پیمانے پر نفاذ۔

ابھی، اگرچہ، کوانٹم نیٹ ورک ابھی بھی اپنے ابتدائی دور میں ہیں، ریسرچ کمیونٹی کے ساتھ، بڑی ٹیک (کمپنیاں جیسے IBM، Amazon، Google اور Microsoft) اور وینچر کے ذریعے مالی اعانت سے چلنے والے اسٹارٹ اپس کی ایک لہر جو عملی فعالیت کی جانب متنوع R&D راستوں کا تعاقب کر رہی ہے اور نفاذ اس سلسلے میں ایک کیس اسٹڈی QUANT-NET ہے، ایک $12.5m، پانچ سالہ R&D اقدام جسے امریکی محکمہ توانائی (DOE) کی حمایت حاصل ہے، ایڈوانسڈ سائنٹفک کمپیوٹنگ ریسرچ پروگرام کے تحت، جس کا مقصد ایک ثبوت کی تعمیر کرنا ہے۔ تقسیم شدہ کوانٹم کمپیوٹنگ ایپلی کیشنز کے لیے اصول کوانٹم نیٹ ورک کا تجربہ کیا گیا۔

لیب سے باہر، نیٹ ورک میں

مجموعی طور پر، QUANT-NET کنسورشیم کے اندر چار تحقیقی شراکت دار - Berkeley Lab (Berkeley, CA)؛ یونیورسٹی آف کیلیفورنیا برکلے (UC Berkeley, CA); کالٹیک (پاسادینا، سی اے)؛ اور یونیورسٹی آف انسبرک (آسٹریا) - دو سائٹس (برکلے لیب اور یو سی برکلے) کے درمیان تین نوڈ، تقسیم شدہ کوانٹم کمپیوٹنگ نیٹ ورک قائم کرنے کی کوشش کر رہے ہیں۔ اس طرح سے، ہر ایک کوانٹم نوڈس کو پہلے سے نصب ٹیلی کام فائبر پر کوانٹم اینگلمنٹ کمیونیکیشن اسکیم کے ذریعے جوڑ دیا جائے گا، جس میں تمام ٹیسٹ بیڈ انفراسٹرکچر کا انتظام حسب ضرورت سافٹ ویئر اسٹیک کے ذریعے کیا جائے گا۔

برکلے لیب میں QUANT-NET کے پرنسپل تفتیش کار اور سائنسی نیٹ ورکنگ ڈویژن کے ڈائریکٹر اور انرجی کے ایگزیکٹو ڈائریکٹر اندرموہن (اندر) مونگا کہتے ہیں، "جب ایک کوانٹم کمپیوٹر پر کوئبٹس کی تعداد بڑھانے کی بات آتی ہے تو بہت سے پیچیدہ چیلنجز ہوتے ہیں۔" سائنسز نیٹ ورک (ESnet)، DOE کی اعلی کارکردگی والے نیٹ ورک صارف کی سہولت (دیکھیں "ESnet: نیٹ ورکنگ بڑے پیمانے پر سائنس")۔ "لیکن اگر ایک سے زیادہ چھوٹے کمپیوٹرز کے نیٹ ورک سے ایک بڑا کمپیوٹر بنایا جا سکتا ہے،" وہ مزید کہتے ہیں، "کیا ہم شاید کوانٹم کمپیوٹنگ کی صلاحیت کی پیمائش کو تیزی سے ٹریک کر سکتے ہیں - ایک فائبر پر کوانٹم الجھن کو تقسیم کرکے - بنیادی طور پر کام کرنے والے زیادہ کوبٹس - آپٹک بنیادی ڈھانچہ؟ یہ وہ بنیادی سوال ہے جس کا جواب ہم QUANT-NET میں دینے کی کوشش کر رہے ہیں۔"

مونگا اور ساتھیوں کے لیے ایک اور محرک کوانٹم کمیونیکیشن ٹیکنالوجیز کو "لیب سے باہر" حقیقی دنیا کے نیٹ ورکنگ سسٹمز میں لے جانا ہے جو زمین میں پہلے سے تعینات ٹیلی کام ریشوں کا استحصال کرتے ہیں۔ "موجودہ کوانٹم نیٹ ورکنگ سسٹم اب بھی بنیادی طور پر کمرے کے سائز کے یا ٹیبل ٹاپ فزکس کے تجربات ہیں، جن کا انتظام گریجویٹ طلباء کے ذریعے کیا جاتا ہے،" مونگا کہتے ہیں۔

اس طرح، QUANT-NET ٹیم کے اہم کاموں میں سے ایک فیلڈ میں قابل استعمال ٹیکنالوجیز کا مظاہرہ کرنا ہے جو وقت کے ساتھ ساتھ آپریٹر کی مداخلت کے بغیر 24/7 کام کرنے کے قابل ہو جائیں گی۔ مونگا نے مزید کہا کہ "ہم کیا کرنا چاہتے ہیں کہ تمام فزیکل لیئر ٹیکنالوجیز کو آرکیسٹریٹ اور ان کا نظم کرنے کے لیے سافٹ ویئر اسٹیک بنانا ہے۔" "یا کم از کم اس کے بارے میں کچھ اندازہ حاصل کریں کہ مستقبل میں اس سافٹ ویئر اسٹیک کی طرح نظر آنا چاہئے تاکہ اعلی شرح اور اعلی مخلص الجھن پیدا کرنے، تقسیم اور ذخیرہ کرنے کو ایک موثر، قابل اعتماد، توسیع پذیر اور لاگت سے مؤثر طریقے سے خودکار بنایا جا سکے۔"

کوانٹم ٹیکنالوجیز کو فعال کرنا

اگر QUANT-NET اینڈ گیم کوانٹم انٹرنیٹ کے لیے امیدواروں کے ہارڈویئر اور سافٹ ویئر ٹیکنالوجیز کا روڈ ٹیسٹ کرنا ہے، تو یہ فزکس کے نقطہ نظر سے بنیادی کوانٹم بلڈنگ بلاکس کو کھولنے کے لیے سبق آموز ہے جو ٹیسٹ بیڈ کے نیٹ ورک نوڈس کو بناتے ہیں - یعنی ٹریپڈ آئن۔ کوانٹم کمپیوٹنگ پروسیسرز؛ کوانٹم فریکوئنسی تبادلوں کے نظام؛ اور کلر سینٹر پر مبنی، سنگل فوٹوون سلکان ذرائع۔

نیٹ ورکنگ انفراسٹرکچر کے حوالے سے، ٹیسٹ بیڈ کے ڈیزائن اور عمل درآمد پر پہلے ہی نمایاں پیش رفت ہو چکی ہے۔ کوانٹم نوڈس کے درمیان فائبر کنسٹرکشن (5 کلومیٹر کی حد تک) اور برکلے لیب میں ایک وقف شدہ کوانٹم نیٹ ورکنگ ہب کی فٹنگ سمیت کوانٹ-نیٹ ٹیسٹ بیڈ انفراسٹرکچر مکمل ہے۔ کوانٹم نیٹ ورک آرکیٹیکچر اور سافٹ ویئر اسٹیک کے ابتدائی ڈیزائن بھی اپنی جگہ پر ہیں۔

QUANT-NET پروجیکٹ کا انجن روم ٹریپڈ آئن کوانٹم کمپیوٹنگ پروسیسر ہے، جو Ca کے لیے ایک ناول چپ پر مبنی ٹریپ کے ساتھ ایک ہائی فائنس آپٹیکل کیویٹی کے انضمام پر انحصار کرتا ہے۔⁺ آئن qubits. یہ پھنسے ہوئے آئن کوئبٹس پورے نیٹ ورک ٹیسٹ بیڈ پر ایک وقف شدہ کوانٹم چینل کے ذریعے جڑیں گے - بدلے میں، تقسیم شدہ کوانٹم کمپیوٹنگ نوڈس کے درمیان لمبی دوری کی الجھن پیدا کریں گے۔

"الجھنا کا مظاہرہ کرنا کلیدی حیثیت رکھتا ہے کیونکہ یہ ریموٹ کوانٹم رجسٹروں کے درمیان ایک لنک فراہم کرتا ہے جو مختلف پروسیسرز کے درمیان کوانٹم معلومات کو ٹیلی پورٹ کرنے یا ان کے درمیان مشروط منطق کو انجام دینے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے،" ہارٹمٹ ہافنر کہتے ہیں، جو QUANT-NET پروجیکٹ کے پرنسپل تفتیش کار ہیں۔ مونگا کے ساتھ، اور جس کی UC برکلے کیمپس میں فزکس لیب ٹیسٹ بیڈ کا دوسرا نوڈ ہے۔ یکساں طور پر اہم، تقسیم شدہ کوانٹم کمپیوٹر کی کمپیوٹنگ طاقت کوبٹس کی تعداد کے ساتھ نمایاں طور پر سکیل کرتی ہے جو اس میں آپس میں جڑے جا سکتے ہیں۔

تاہم، پورے نیٹ ورک میں دو ریموٹ آئن ٹریپس کو الجھانا سیدھی بات نہیں ہے۔ سب سے پہلے، ہر آئن کے اسپن کو اس کے متعلقہ جال سے خارج ہونے والے فوٹوون کے پولرائزیشن کے ساتھ الجھایا جانا چاہیے (دیکھیں "QUANT-NET ٹیسٹ بیڈ میں انجینئرنگ اور استحصالی الجھن")۔ اعلیٰ شرح، اعلیٰ فیڈیلیٹی آئن – فوٹون کی الجھن ہر معاملے میں 854 nm کی طول موج پر خارج ہونے والے سنگل، قریب اورکت فوٹونز پر انحصار کرتی ہے۔ ان فوٹونز کو 1550 nm ٹیلی کام C-band میں تبدیل کیا جاتا ہے تاکہ UC برکلے اور برکلے لیب کوانٹم نوڈس کے درمیان بعد میں ہونے والے فوٹون ٹرانسمیشن پر اثر انداز ہونے والے فائبر آپٹک نقصانات کو کم کیا جا سکے۔ ایک ساتھ لے کر، پھنسے ہوئے آئن اور فوٹون ایک جیت کی نمائندگی کرتے ہیں، جس میں سابقہ ​​سٹیشنری کمپیوٹنگ کوئبٹس فراہم کرتا ہے۔ مؤخر الذکر تقسیم شدہ کوانٹم نوڈس کو جوڑنے کے لیے "فلائنگ کمیونیکیشن کیوبٹس" کے طور پر کام کرتا ہے۔

زیادہ دانے دار سطح پر، کوانٹم فریکوئنسی-کنورژن ماڈیول قائم کردہ مربوط فوٹوونک ٹیکنالوجیز اور نام نہاد "فرق تعدد عمل" کا استحصال کرتا ہے۔ اس طرح، ایک ان پٹ 854 nm فوٹون (ایک Ca سے خارج ہوتا ہے۔⁺ آئن) کو ایک مضبوط پمپ فیلڈ کے ساتھ ایک نان لائنر میڈیم میں 1900 nm پر ملایا جاتا ہے، جس سے 1550 nm پر آؤٹ پٹ ٹیلی کام فوٹوون حاصل ہوتا ہے۔ "اہم طور پر، یہ تکنیک ان پٹ فوٹونز کی کوانٹم ریاستوں کو محفوظ رکھتی ہے جبکہ ہمارے منصوبہ بند تجربات کے لیے اعلی تبادلوں کی افادیت اور کم شور والا آپریشن فراہم کرتی ہے،" ہیفنر کہتے ہیں۔

دو نوڈس کے درمیان قائم ہونے والی الجھن کے ساتھ، QUANT-NET ٹیم پھر تقسیم شدہ کوانٹم کمپیوٹنگ کے بنیادی تعمیراتی بلاک کا مظاہرہ کر سکتی ہے، جس میں ایک نوڈ میں موجود کوانٹم معلومات دوسرے میں منطق کو کنٹرول کرتی ہے۔ خاص طور پر، الجھاؤ اور کلاسیکی کمیونیکیشن کو کنٹرولنگ نوڈ سے کوانٹم معلومات کو ٹارگٹ نوڈ میں ٹیلی پورٹ کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، جہاں عمل – جیسے کہ ایک غیر مقامی، کنٹرولڈ ناٹ کوانٹم لاجک گیٹ – کو پھر صرف مقامی کارروائیوں کے ساتھ انجام دیا جا سکتا ہے۔

آخر میں، کوانٹم نیٹ ورک کے اندر "متضادیت" کے اثرات کو تلاش کرنے کے لیے ایک متوازی کام کا پیکج جاری ہے - یہ تسلیم کرتے ہوئے کہ کوانٹم انٹرنیٹ کے ابتدائی مراحل میں متعدد کوانٹم ٹیکنالوجیز کے تعینات کیے جانے کا امکان ہے (اور اس لیے ایک دوسرے کے ساتھ انٹرفیس کیا جائے گا)۔ اس سلسلے میں، سلیکون کلر سینٹرز پر انحصار کرنے والے ٹھوس ریاست کے آلات (جالیوں کے نقائص جو ٹیلی کام کی طول موج پر 1300 nm کے ارد گرد نظری اخراج پیدا کرتے ہیں) سلکان نینو فابریکیشن تکنیک کی موروثی اسکیل ایبلٹی سے فائدہ اٹھاتے ہیں، جبکہ سنگل فوٹان کا اخراج کرتے ہوئے اعلیٰ سطح کے انڈیکوہیرنس کے ساتھ ) کوانٹم الجھن کے لیے درکار ہے۔

"اس سمت میں پہلے قدم کے طور پر،" ہفنر کہتے ہیں، "ہم سلیکون کلر سنٹر سے Ca کی طرف خارج ہونے والے واحد فوٹوون سے کوانٹم سٹیٹ ٹیلی پورٹیشن کا مظاہرہ کرنے کا ارادہ رکھتے ہیں۔⁺ ان دو کوانٹم سسٹمز کے درمیان سپیکٹرل مماثلت کے مسئلے کو ختم کرکے qubit۔"

QUANT-NET روڈ میپ

جیسا کہ QUANT-NET اپنے درمیانی راستے کے قریب پہنچ رہا ہے، مونگا، ہافنر اور ساتھیوں کا مقصد یہ ہے کہ آپریشنل ریسرچ ٹیسٹ بیڈ میں ان عناصر کے انضمام اور ٹیوننگ سے پہلے، مجرد ٹیسٹ بیڈ اجزاء کی کارکردگی کو آزادانہ طور پر نمایاں کریں۔ مونگا کا کہنا ہے کہ "نیٹ ورک سسٹم کے اصولوں کو ذہن میں رکھتے ہوئے، ہماری توجہ کوانٹم نیٹ ورک ٹیسٹ بیڈ کے مختلف عناصر کو خودکار بنانے پر بھی ہو گی جو عام طور پر لیب کے ماحول میں دستی طور پر ٹیون یا کیلیبریٹ کیے جا سکتے ہیں۔"

دنیا بھر میں کوانٹم نیٹ ورکنگ کے دیگر اقدامات کے ساتھ QUANT-NET R&D کی ترجیحات کو سیدھ میں لانا بھی بہت اہم ہے - اگرچہ مختلف، اور شاید غیر مطابقت پذیر، اس اجتماعی تحقیقی کوشش کی تحقیقی نوعیت کے پیش نظر نقطہ نظر شاید معمول ہوگا۔ "ہمیں ابھی کھلنے کے لیے بہت سے پھولوں کی ضرورت ہے،" مونگا نوٹ کرتا ہے، "تاکہ ہم سب سے زیادہ امید افزا کوانٹم کمیونیکیشن ٹیکنالوجیز اور اس سے منسلک نیٹ ورک کنٹرول سافٹ ویئر اور فن تعمیرات پر گھر کر سکیں۔"

طویل مدتی، مونگا اضافی DOE فنڈنگ ​​حاصل کرنا چاہتا ہے، جیسے کہ QUANT-NET ٹیسٹ بیڈ رسائی اور پیچیدگی کے لحاظ سے پیمانہ ہو سکے۔ "ہم امید کرتے ہیں کہ ہمارا ٹیسٹ بیڈ اپروچ دیگر تحقیقی ٹیموں اور صنعت سے امید افزا کوانٹم ٹیکنالوجیز کے آسان انضمام کو قابل بنائے گا،" انہوں نے نتیجہ اخذ کیا۔ "یہ بدلے میں ایک تیز رفتار پروٹوٹائپ-ٹیسٹ-انٹیگریٹ سائیکل فراہم کرے گا تاکہ جدت طرازی کو سپورٹ کیا جا سکے...اور ایک تیز رفتار تفہیم میں حصہ ڈالے گا کہ کس طرح ایک توسیع پذیر کوانٹم انٹرنیٹ بنایا جائے جو کلاسیکل انٹرنیٹ کے ساتھ موجود ہو۔"

مزید پڑھنے

اندر مونگا ET اللہ تعالی. 2023 کوانٹ نیٹ: تعینات فائبر پر کوانٹم نیٹ ورکنگ ریسرچ کے لیے ایک ٹیسٹ بیڈ۔ QuNet '23، پی پی 31-37 (ستمبر 10–142023؛ نیویارک، نیویارک، امریکہ)

• SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
• پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ای ایس جی۔ کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• ماخذ: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/