کوانٹم کمپیوٹنگ کے لیے بہترین کیوبٹس شاید صرف ایٹم ہوں | کوانٹا میگزین

پچھلے سال کے آخر میں، ٹیک دیو آئی بی ایم نے اعلان کیا کہ کوانٹم کمپیوٹنگ میں کیا ایک سنگ میل کی طرح لگ سکتا ہے: پہلی بار چپ، جسے کنڈور کہا جاتا ہے، 1,000 سے زیادہ کوانٹم بٹس، یا کیوبٹس کے ساتھ۔ یہ دیکھتے ہوئے کہ کمپنی کی طرف سے ایگل کی نقاب کشائی کے بمشکل دو سال ہوئے تھے، جو 100 سے زیادہ کیوبٹس والی پہلی چپ تھی، ایسا لگتا تھا جیسے میدان آگے بڑھ رہا ہے۔ کوانٹم کمپیوٹرز بنانا جو آج کے سب سے طاقتور کلاسیکی سپر کمپیوٹرز کے دائرہ کار سے باہر مفید مسائل کو حل کر سکتا ہے، ان کو اور بھی زیادہ بڑھانے کا مطالبہ کرتا ہے - شاید کئی دسیوں یا لاکھوں کیوبٹس تک۔ لیکن یہ یقینی طور پر صرف انجینئرنگ کا معاملہ ہے، ٹھیک ہے؟

ضروری نہیں. اسکیلنگ اپ کے چیلنجز اتنے بڑے ہیں کہ کچھ محققین کا خیال ہے کہ اس کے لیے IBM اور Google جیسے مائیکرو الیکٹرانکس سے بالکل مختلف ہارڈ ویئر کی ضرورت ہوگی۔ کونڈور اور گوگل کی سائکامور چپ میں موجود کوبٹس سپر کنڈکٹنگ مواد کے لوپس سے بنائے گئے ہیں۔ یہ سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس اب تک پورے پیمانے پر کوانٹم کمپیوٹنگ کی دوڑ میں سب سے آگے رہے ہیں۔ لیکن اب پیچھے سے ایک کچھوا آ رہا ہے: انفرادی ایٹموں سے بنی کیوبٹس۔

حالیہ پیشرفت نے ان "غیر جانبدار ایٹم کیوبٹس" کو باہر کے لوگوں سے اہم دعویداروں میں تبدیل کر دیا ہے۔

یونیورسٹی آف وسکونسن، میڈیسن کے ماہر طبیعیات مارک سیف مین نے کہا، "پچھلے دو یا تین سالوں میں اس طرح کے کسی بھی دور کے مقابلے میں زیادہ تیزی سے ترقی ہوئی ہے،" جنہوں نے غیر جانبدار ایٹم کوانٹم کمپیوٹنگ کو کمرشلائز کرنے کی دوڑ میں شامل کم از کم پانچ کمپنیوں کو شمار کیا۔

عام کمپیوٹرز میں بٹس کی طرح، qubits بائنری معلومات کو انکوڈ کرتے ہیں — 1s اور 0s۔ لیکن جہاں تھوڑا سا ہمیشہ ایک حالت یا دوسری حالت میں ہوتا ہے، ایک qubit میں معلومات کو غیر متعین چھوڑا جا سکتا ہے، ایک نام نہاد "superposition" میں جو دونوں امکانات کو وزن دیتا ہے۔ ایک حساب کرنے کے لیے، qubits کو کوانٹم entanglement کہلانے والے رجحان کا استعمال کرتے ہوئے منسلک کیا جاتا ہے، جو ان کی ممکنہ حالتوں کو ایک دوسرے پر منحصر بناتا ہے۔ ایک خاص کوانٹم الگورتھم کوئبٹس کے مختلف سیٹوں کے درمیان الجھنوں کے تسلسل کا مطالبہ کر سکتا ہے، اور جواب حساب کے آخر میں پڑھا جاتا ہے جب کوئی پیمائش کی جاتی ہے، ہر ایک سپرپوزیشن کو ایک خاص 1 یا 0 پر گرا کر۔

اس طرح معلومات کو انکوڈنگ کے لیے غیر جانبدار ایٹموں کی کوانٹم حالتوں کو استعمال کرنے کا خیال تھا۔ مجوزہ 2000 کی دہائی کے اوائل میں ہارورڈ کے ماہر طبیعیات کے ذریعے میخائل لوکن اور ساتھیوں، اور بھی کی قیادت میں ایک گروپ کی طرف سے ایوان ڈوئچ نیو میکسیکو یونیورسٹی کے. ایک طویل عرصے تک، وسیع تر تحقیقی برادری نے اس بات پر اتفاق کیا کہ غیر جانبدار ایٹم کوانٹم کمپیوٹنگ اصولی طور پر ایک بہترین آئیڈیا تھا، لوکن نے کہا، لیکن عملی طور پر "یہ کام نہیں کرتا"۔

"لیکن 20 سال بعد، دوسرے طریقوں نے معاہدے کو بند نہیں کیا،" سیف مین نے کہا۔ "اور غیر جانبدار ایٹموں کو کام کرنے کے لیے درکار مہارت کا سیٹ اور تکنیک آہستہ آہستہ اس مقام پر تیار ہو رہی ہے جہاں وہ بہت امید افزا نظر آ رہے ہیں۔"

ہارورڈ میں لوکن کی لیبارٹری ان لوگوں میں شامل رہی ہے جو اس راستے کی رہنمائی کرتے ہیں۔ دسمبر میں، وہ اور ان کے ساتھیوں رپورٹ کے مطابق کہ انہوں نے سیکڑوں نیوٹرل ایٹم کوئبٹس کے ساتھ قابل پروگرام کوانٹم سرکٹس بنائے اور ان کے ساتھ کوانٹم کمپیوٹیشن اور غلطی کی اصلاح کی تھی۔ اور اس مہینے، کیلیفورنیا انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کی ایک ٹیم رپورٹ کے مطابق کہ انہوں نے 6,100 ایٹمی کیوبٹس کی ایک صف بنائی۔ اس طرح کے نتائج تیزی سے جیتنے والے اس نقطہ نظر کو تبدیل کر رہے ہیں۔

"دس سال پہلے میں ان [غیر جانبدار ایٹم] طریقوں کو شامل نہ کرتا اگر میں کوانٹم کمپیوٹنگ کے مستقبل پر شرط لگا رہا ہوتا،" کہا۔ اینڈریو سٹین، آکسفورڈ یونیورسٹی میں کوانٹم انفارمیشن تھیوریسٹ۔ "یہ ایک غلطی ہو گی."

Qubits کی جنگ

کوئبٹ کی اقسام کے درمیان مقابلہ میں ایک اہم مسئلہ یہ ہے کہ ہر قسم کی کوئبٹ کتنی دیر تک اپنی سپرپوزیشن کو برقرار رکھ سکتی ہے اس سے پہلے کہ وہ کسی بے ترتیب (مثال کے طور پر تھرمل) اتار چڑھاو سے تبدیل ہوجائے۔ آئی بی ایم اور گوگل جیسے سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس کے لیے، یہ "ہم آہنگی کا وقت" عام طور پر ایک ملی سیکنڈ کے قریب ہوتا ہے۔ کوانٹم کمپیوٹیشن کے تمام مراحل اس ٹائم فریم کے اندر ہونے چاہئیں۔

انفرادی ایٹموں کی حالتوں میں معلومات کو انکوڈنگ کرنے کا ایک فائدہ یہ ہے کہ ان کے ہم آہنگی کے اوقات عام طور پر کہیں زیادہ ہوتے ہیں۔ مزید برآں، سپر کنڈکٹنگ سرکٹس کے برعکس، دی گئی قسم کے ایٹم سب ایک جیسے ہوتے ہیں، اس لیے مختلف کوانٹم سٹیٹس کو ان پٹ اور ہیرا پھیری کرنے کے لیے بیسپوک کنٹرول سسٹمز کی ضرورت نہیں ہے۔

اور جب کہ سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس کو کوانٹم سرکٹس میں جوڑنے کے لیے استعمال ہونے والی وائرنگ خوفناک حد تک پیچیدہ ہو سکتی ہے - اس سے بھی زیادہ اس لیے کہ نظام کے بڑھنے سے - ایٹموں کے معاملے میں کسی وائرنگ کی ضرورت نہیں ہے۔ تمام الجھاؤ لیزر لائٹ کا استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے۔

اس فائدہ نے ابتدائی طور پر ایک چیلنج پیش کیا۔ پیچیدہ مائیکرو الیکٹرانک سرکٹری اور تاروں کو تراشنے کے لیے ایک اچھی طرح سے ترقی یافتہ ٹیکنالوجی موجود ہے، اور آئی بی ایم اور گوگل نے ابتدائی طور پر سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس میں سرمایہ کاری کی ایک ممکنہ وجہ یہ نہیں ہے کہ یہ ظاہری طور پر بہترین تھے بلکہ اس لیے کہ انہیں اس قسم کی سرکٹری کی ضرورت تھی جس کے لیے ایسی کمپنیاں استعمال ہوتی ہیں۔ اسٹورٹ ایڈمز، برطانیہ کی ڈرہم یونیورسٹی میں ماہر طبیعیات جو نیوٹرل ایٹم کوانٹم کمپیوٹنگ پر کام کرتے ہیں۔ "لیزر پر مبنی ایٹم آپٹکس ان کو بالکل ناواقف لگ رہے تھے۔ تمام انجینئرنگ بالکل مختلف ہے۔

برقی چارج شدہ ایٹموں سے بنے کیوبٹس - جنہیں آئنوں کے نام سے جانا جاتا ہے - کو بھی روشنی سے کنٹرول کیا جا سکتا ہے، اور آئنوں کو طویل عرصے سے غیر جانبدار ایٹموں کے مقابلے بہتر کوئبٹ امیدوار سمجھا جاتا تھا۔ ان کے چارج کی وجہ سے، آئنوں کا برقی میدانوں میں پھنسنا نسبتاً آسان ہوتا ہے۔ محققین نے انتہائی کم درجہ حرارت پر ایک چھوٹے ویکیوم کیویٹی میں آئنوں کو معطل کر کے آئن ٹریپس بنائے ہیں (تھرمل جگلنگ سے بچنے کے لیے) جبکہ لیزر بیم معلومات میں ہیرا پھیری کرنے کے لیے ان کو توانائی کی مختلف حالتوں کے درمیان تبدیل کرتے ہیں۔ درجنوں کیوبٹس والے آئن ٹریپ کوانٹم کمپیوٹرز کا اب مظاہرہ کیا جا چکا ہے، اور کئی اسٹارٹ اپ کمرشلائزیشن کے لیے ٹیکنالوجی تیار کر رہے ہیں۔ Saffman نے کہا، "اب تک، وفاداری، کنٹرول اور ہم آہنگی کے لحاظ سے سب سے زیادہ کارکردگی کے ساتھ نظام کو ٹریپ کر دیا گیا ہے،" Saffman نے کہا۔

غیر جانبدار ایٹموں کو پھنسانا مشکل ہے کیونکہ پکڑنے کے لیے کوئی چارج نہیں ہے۔ اس کے بجائے، ایٹموں کو لیزر بیم کے ذریعے پیدا ہونے والی شدید روشنی کے شعبوں میں متحرک کیا جاتا ہے، جسے آپٹیکل ٹویزر کہتے ہیں۔ ایٹم عام طور پر وہاں بیٹھنے کو ترجیح دیتے ہیں جہاں روشنی کا میدان سب سے زیادہ شدید ہوتا ہے۔

اور آئنوں کے ساتھ ایک مسئلہ ہے: ان سب پر ایک ہی نشان کا برقی چارج ہے۔ یعنی qubits ایک دوسرے کو پیچھے ہٹاتے ہیں۔ ان میں سے بہت ساری کو ایک ہی چھوٹی جگہ میں جمانا اتنا ہی مشکل ہوتا جاتا ہے جتنے زیادہ آئن ہوتے ہیں۔ غیر جانبدار ایٹموں کے ساتھ، ایسی کوئی تناؤ نہیں ہے۔ محققین کا کہنا ہے کہ یہ غیر جانبدار ایٹم کوبٹس کو بہت زیادہ توسیع پذیر بناتا ہے۔

مزید یہ کہ پھنسے ہوئے آئنوں کو ایک قطار میں ترتیب دیا گیا ہے (یا حال ہی میں، ایک لوپنگ "ریسیکٹیک”)۔ اس ترتیب سے ایک آئن کیوبٹ کو دوسرے کے ساتھ الجھانا مشکل ہو جاتا ہے، یعنی قطار کے ساتھ 20 مقامات۔ "آئن کے جال فطری طور پر ایک جہتی ہیں،" ایڈمز نے کہا۔ "آپ کو انہیں ایک لائن میں ترتیب دینا ہوگا، اور یہ دیکھنا بہت مشکل ہے کہ آپ اس طرح ایک ہزار کیوبٹس تک کیسے پہنچتے ہیں۔"

غیر جانبدار ایٹم صفیں ایک دو جہتی گرڈ ہوسکتی ہیں، جس کا پیمانہ بڑھانا بہت آسان ہے۔ "آپ ایک ہی نظام میں بہت کچھ ڈال سکتے ہیں، اور جب آپ ان سے نہیں چاہتے تو وہ آپس میں بات چیت نہیں کرتے،" Saffman نے کہا۔ اس کے گروپ اور دیگر نے اس طرح 1,000 سے زیادہ نیوٹرل ایٹموں کو پھنسایا ہے۔ "ہمیں یقین ہے کہ ہم ایک سینٹی میٹر پیمانے کے آلے میں دسیوں یا اس سے بھی لاکھوں کو پیک کر سکتے ہیں،" انہوں نے کہا۔

درحقیقت، اپنے حالیہ کام میں، کیلٹیک کی ٹیم نے تقریباً 6,100 غیر جانبدار سیزیم ایٹموں کی ایک آپٹیکل-ٹوئزر سرنی بنائی، حالانکہ انہوں نے ابھی تک ان کے ساتھ کوئی کوانٹم کمپیوٹیشن نہیں کیا ہے۔ ان کیوبٹس میں 12.6 سیکنڈز کا ہم آہنگی کا وقت بھی تھا، جو اس کیوبٹ قسم کے لیے اب تک کا ایک ریکارڈ ہے۔

رائڈبرگ ناکہ بندی

دو یا دو سے زیادہ کیوبٹس کے الجھنے کے لیے، انہیں ایک دوسرے کے ساتھ بات چیت کرنے کی ضرورت ہے۔ غیر جانبدار ایٹم نام نہاد وین ڈیر والز فورسز کے ذریعے ایک دوسرے کی موجودگی کو "محسوس" کرتے ہیں، جو اس طرح سے پیدا ہوتا ہے کہ ایک ایٹم قریبی دوسرے ایٹم میں الیکٹران کے بادل میں اتار چڑھاؤ کا جواب دیتا ہے۔ لیکن یہ کمزور قوتیں صرف اس وقت محسوس ہوتی ہیں جب ایٹم ایک دوسرے کے بہت قریب ہوں۔ ہلکے فیلڈز کا استعمال کرتے ہوئے عام ایٹموں کو مطلوبہ درستگی کے ساتھ جوڑنا بس نہیں کیا جا سکتا۔

جیسا کہ لوکن اور ان کے ساتھیوں نے 2000 میں اپنی اصل تجویز میں اشارہ کیا تھا، اگر ہم خود ایٹموں کے سائز کو بڑھا دیں تو بات چیت کا فاصلہ ڈرامائی طور پر بڑھ سکتا ہے۔ ایک الیکٹران میں جتنی زیادہ توانائی ہوتی ہے، اتنا ہی وہ ایٹم نیوکلئس سے گھومنے لگتا ہے۔ اگر کسی لیزر کا استعمال ایک الیکٹران کو توانائی کی حالت میں پمپ کرنے کے لیے کیا جاتا ہے جو عام طور پر ایٹموں میں پائی جانے والی اس سے کہیں زیادہ ہوتی ہے - جسے سویڈش ماہر طبیعیات جوہانس رائڈبرگ کے بعد رائڈبرگ اسٹیٹ کہا جاتا ہے، جس نے 1880 کی دہائی میں ایٹموں کے مجرد طول موج پر روشنی کے اخراج کے طریقے کا مطالعہ کیا تھا۔ نیوکلئس سے باہر معمول سے ہزاروں گنا دور گھوم سکتا ہے۔

سائز میں یہ اضافہ دو ایٹموں کو قابل بناتا ہے جو کئی مائیکرو میٹر کے فاصلے پر رکھے ہوئے ہیں - آپٹیکل ٹریپس میں بالکل ممکن ہے - بات چیت کرنے کے لیے۔

کوانٹم الگورتھم کو لاگو کرنے کے لیے، محققین سب سے پہلے کوانٹم معلومات کو جوہری توانائی کی سطحوں کے ایک جوڑے میں انکوڈ کرتے ہیں، لیزرز کا استعمال کرتے ہوئے الیکٹران کو سطحوں کے درمیان سوئچ کرتے ہیں۔ اس کے بعد وہ ان کے درمیان رائڈبرگ تعاملات کو سوئچ کرکے ایٹموں کی حالتوں کو الجھا دیتے ہیں۔ ایک دیا ہوا ایٹم Rydberg کی حالت میں پرجوش ہو سکتا ہے یا نہیں، اس بات پر منحصر ہے کہ اس کا الیکٹران توانائی کی دو سطحوں میں سے کس میں ہے — ان میں سے صرف ایک ہی صحیح توانائی پر بیٹھتا ہے تاکہ اتیجیت لیزر کی فریکوئنسی کے ساتھ گونج سکے۔ اور اگر ایٹم فی الحال کسی دوسرے کے ساتھ تعامل کر رہا ہے، تو یہ جوش کی فریکوئنسی قدرے بدل جاتی ہے تاکہ الیکٹران روشنی کے ساتھ گونج نہیں پائے گا اور چھلانگ لگانے کے قابل نہیں ہوگا۔ اس کا مطلب ہے کہ صرف ایک یا دوسرے جوڑے کے تعامل کرنے والے ایٹم کسی بھی وقت رائڈبرگ کی حالت کو برقرار رکھ سکتے ہیں۔ ان کی کوانٹم حالتیں باہم مربوط ہیں — یا دوسرے لفظوں میں، الجھی ہوئی ہیں۔ یہ نام نہاد Rydberg ناکہ بندی، سب سے پہلے مجوزہ لوکن اور ساتھیوں کے ذریعہ 2001 میں Rydberg-atom qubits کو الجھانے کے طریقے کے طور پر، ایک مکمل یا کچھ نہیں اثر ہے: یا تو Rydberg کی ناکہ بندی ہے یا وہاں نہیں ہے۔ لوکن نے کہا، "رائیڈبرگ کی ناکہ بندی ایٹموں کے درمیان بات چیت کو ڈیجیٹل بناتی ہے۔

حساب کے اختتام پر، لیزر ایٹموں کی حالتوں کو پڑھتے ہیں: اگر کوئی ایٹم اس حالت میں ہے جو روشنی سے گونج رہا ہے، تو روشنی بکھر جاتی ہے، لیکن اگر یہ دوسری حالت میں ہے، تو کوئی بکھرنا نہیں ہے۔

2004 میں، کنیکٹیکٹ یونیورسٹی میں ایک ٹیم demonstrated,en روبیڈیم ایٹموں کے درمیان رائڈبرگ کی ناکہ بندی، مکمل صفر سے صرف 100 مائیکرو کیلونز تک پھنس کر ٹھنڈا کر دیا گیا۔ انہوں نے ایٹموں کی تھرمل توانائی کو "چوسنے" کے لیے لیزر کا استعمال کرکے ایٹموں کو ٹھنڈا کیا۔ نقطہ نظر کا مطلب یہ ہے کہ، سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس کے برعکس، غیر جانبدار ایٹموں کو کسی کرائیوجینک کولنگ اور کوئی بوجھل ریفریجرینٹ کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔ لہذا ان نظاموں کو بہت کمپیکٹ بنایا جا سکتا ہے۔ "مجموعی طور پر سامان کمرے کے درجہ حرارت پر ہے،" Saffman نے کہا۔ "ان سپر کولڈ ایٹموں سے ایک سینٹی میٹر دور، آپ کے پاس کمرے کے درجہ حرارت کی کھڑکی ہے۔"

2010 میں Saffman اور اس کے ساتھی کارکنان رپورٹ کے مطابق پہلا لاجک گیٹ — کمپیوٹرز کا ایک بنیادی عنصر، جس میں ایک یا زیادہ بائنری ان پٹ سگنلز ایک خاص بائنری آؤٹ پٹ پیدا کرتے ہیں — جو رائڈبرگ ناکہ بندی کا استعمال کرتے ہوئے دو ایٹموں سے بنایا گیا ہے۔ پھر، اہم بات یہ ہے کہ، 2016 میں، فرانس اور جنوبی کوریا میں لوکن کی ٹیم اور تحقیقی گروپس آزادانہ طور پر پتہ لگا کس طرح کرنے کے لئے بہت سے غیر جانبدار ایٹموں کو لوڈ کریں۔ آپٹیکل ٹریپس کی صفوں میں اور انہیں اپنی مرضی سے ادھر ادھر منتقل کریں۔ "اس اختراع نے میدان میں نئی ​​جان ڈالی،" کہا سٹیفن ڈور گارچنگ، جرمنی میں میکس پلانک انسٹی ٹیوٹ آف کوانٹم آپٹکس کا، جو روشنی پر مبنی کوانٹم انفارمیشن پروسیسنگ میں تجربات کے لیے رائڈبرگ ایٹموں کا استعمال کرتا ہے۔

اب تک کا زیادہ تر کام روبیڈیم اور سیزیم کے ایٹموں کا استعمال کرتا ہے، لیکن ماہر طبیعیات جیف تھامسن پرنسٹن یونیورسٹی میں دھاتی ایٹموں جیسے سٹرونٹیئم اور یٹربیئم کی جوہری گھماؤ والی حالتوں میں معلومات کو انکوڈنگ کرنے کو ترجیح دیتی ہے، جن میں ہم آہنگی کا وقت بھی زیادہ ہوتا ہے۔ گزشتہ اکتوبر، تھامسن اور ساتھیوں رپورٹ کے مطابق ان سسٹمز سے بنے دو کیوبٹ منطقی دروازے۔

اور رائڈبرگ کی ناکہ بندیوں کو تنہا ایٹموں کے درمیان ہونا ضروری نہیں ہے۔ پچھلی موسم گرما میں، ایڈمز اور اس کے ساتھی کارکنان سے ظاہر ہوا کہ وہ ایک ایٹم اور پھنسے ہوئے مالیکیول کے درمیان ایک Rydberg ناکہ بندی بنا سکتے ہیں، جسے انہوں نے مصنوعی طور پر آپٹیکل ٹویزر کا استعمال کرتے ہوئے سیزیم ایٹم کو روبیڈیم ایٹم کے ساتھ کھینچ کر بنایا تھا۔ ہائبرڈ ایٹم مالیکیول سسٹم کا فائدہ یہ ہے کہ ایٹموں اور مالیکیولز میں بہت مختلف توانائیاں ہوتی ہیں، جو دوسروں کو متاثر کیے بغیر ہیرا پھیری کرنا آسان بنا سکتی ہیں۔ مزید یہ کہ مالیکیولر کوئبٹس میں ہم آہنگی کا وقت بہت طویل ہو سکتا ہے۔ ایڈمز اس بات پر زور دیتے ہیں کہ اس طرح کے ہائبرڈ سسٹم تمام ایٹم سسٹمز سے کم از کم 10 سال پیچھے ہیں، اور اس طرح کے دو کوئبٹس کا الجھنا ابھی باقی ہے۔ "ہائبرڈ سسٹم واقعی مشکل ہیں،" تھامسن نے کہا، "لیکن ہم شاید کسی وقت انہیں کرنے پر مجبور ہو جائیں گے۔"

ہائی فیڈیلیٹی کیوبٹس

کوئی qubit کامل نہیں ہے: سب میں غلطیاں ہو سکتی ہیں۔ اور اگر ان کا پتہ نہ چل سکے اور درست نہ ہو، تو وہ حساب کے نتیجے کو گھیر لیتے ہیں۔

لیکن تمام کوانٹم کمپیوٹنگ میں ایک بڑی رکاوٹ یہ ہے کہ کلاسیکل کمپیوٹرز کے لیے غلطیوں کی نشاندہی اور ان کو درست نہیں کیا جا سکتا، جہاں ایک الگورتھم صرف کاپیاں بنا کر اس بات پر نظر رکھتا ہے کہ بٹس کس حالت میں ہیں۔ کوانٹم کمپیوٹنگ کی کلید یہ ہے کہ کیوبٹس کی حالتیں اس وقت تک غیر متعین رہ جاتی ہیں جب تک کہ حتمی نتیجہ نہیں پڑھا جاتا۔ اگر آپ اس نقطہ سے پہلے ان ریاستوں کی پیمائش کرنے کی کوشش کرتے ہیں تو، آپ حساب کو ختم کر دیتے ہیں۔ پھر، کیوبٹس کو ان غلطیوں سے کیسے بچایا جا سکتا ہے جن کی ہم نگرانی بھی نہیں کر سکتے؟

ایک جواب بہت سے فزیکل qubits پر معلومات پھیلانا ہے - ایک واحد "Logical qubit" کی تشکیل - تاکہ ان میں سے کسی ایک میں غلطی ان معلومات کو خراب نہ کرے جسے وہ اجتماعی طور پر انکوڈ کرتے ہیں۔ یہ تب ہی عملی ہو جاتا ہے جب ہر منطقی کوبٹ کے لیے درکار فزیکل qubits کی تعداد بہت زیادہ نہ ہو۔ یہ اوور ہیڈ جزوی طور پر اس بات پر منحصر ہے کہ غلطی کو درست کرنے والا الگورتھم استعمال کیا جاتا ہے۔

غلطی سے درست شدہ منطقی کوبٹس کو سپر کنڈکٹنگ اور ٹریپڈ آئن کوئبٹس کے ساتھ دکھایا گیا ہے، لیکن حال ہی میں یہ واضح نہیں ہوسکا ہے کہ آیا انہیں نیوٹرل ایٹموں سے بنایا جاسکتا ہے۔ یہ دسمبر میں بدل گیا، جب ہارورڈ ٹیم نے کئی سو پھنسے ہوئے روبیڈیم ایٹموں کی صفوں کی نقاب کشائی کی اور 48 منطقی کیوبٹس پر الگورتھم چلائے، ہر ایک سات یا آٹھ جسمانی ایٹموں سے بنا تھا۔ محققین نے نظام کو ایک سادہ منطقی آپریشن کرنے کے لیے استعمال کیا جسے کنٹرولڈ ناٹ گیٹ کہا جاتا ہے، جس میں ایک کیوبٹ کی 1 اور 0 حالتیں پلٹ جاتی ہیں یا دوسرے "کنٹرول" کیوبٹ کی حالت کے لحاظ سے کوئی تبدیلی نہیں کی جاتی ہیں۔ کمپیوٹیشن کرنے کے لیے، محققین نے ایٹموں کو ٹریپنگ چیمبر میں تین الگ الگ خطوں کے درمیان منتقل کیا: ایٹموں کی ایک صف، ایک تعامل کا علاقہ (یا "گیٹ زون") جہاں مخصوص ایٹموں کو گھسیٹا گیا اور Rydberg ناکہ بندی کا استعمال کرتے ہوئے الجھایا گیا، اور ایک ریڈ آؤٹ زون۔ . ایڈمز نے کہا، یہ سب ممکن ہوا، کیونکہ "رائیڈبرگ سسٹم آپ کو یہ تمام صلاحیت فراہم کرتا ہے کہ آپ کوبٹس کو چاروں طرف شفل کریں اور یہ فیصلہ کریں کہ کون کس کے ساتھ بات چیت کر رہا ہے، جو آپ کو ایسی لچک فراہم کرتا ہے جو سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس کے پاس نہیں ہے۔"

ہارورڈ ٹیم نے کچھ سادہ لوجیکل کوئبٹ الگورتھم کے لیے غلطی کو درست کرنے کی تکنیکوں کا مظاہرہ کیا، حالانکہ سب سے بڑے کے لیے، 48 منطقی کوئبٹس کے ساتھ، انھوں نے محض غلطی کا پتہ لگانا ہی حاصل کیا۔ تھامسن کے مطابق، ان بعد کے تجربات نے ظاہر کیا کہ "وہ غلطیوں کے ساتھ پیمائش کے نتائج کو ترجیحی طور پر مسترد کر سکتے ہیں، اور اس لیے کم غلطیوں کے ساتھ نتائج کے ذیلی سیٹ کی شناخت کر سکتے ہیں۔" اس نقطہ نظر کو انتخاب کے بعد کہا جاتا ہے، اور جب کہ یہ کوانٹم غلطی کی اصلاح میں کردار ادا کر سکتا ہے، یہ خود مسئلہ حل نہیں کرتا ہے۔

رائڈبرگ ایٹم خود کو نئے غلطی کو درست کرنے والے کوڈز کے لیے قرض دے سکتے ہیں۔ ہارورڈ کے کام میں استعمال ہونے والا، جسے سطحی کوڈ کہا جاتا ہے، "بہت مقبول ہے لیکن بہت ناکارہ بھی،" Saffman نے کہا۔ اسے ایک منطقی کوئبٹ بنانے کے لیے بہت سے فزیکل qubits کی ضرورت ہوتی ہے۔ دیگر، زیادہ موثر مجوزہ غلطی کو درست کرنے والے کوڈز کے لیے qubits کے درمیان طویل فاصلے تک تعامل کی ضرورت ہوتی ہے، نہ کہ صرف قریبی پڑوسیوں کے جوڑے۔ نیوٹرل ایٹم کوانٹم کمپیوٹنگ کے پریکٹیشنرز سوچتے ہیں کہ لانگ رینج رائڈبرگ کے تعاملات کو کام پر منحصر ہونا چاہیے۔ لوکن نے کہا، "میں بہت پر امید ہوں کہ اگلے دو سے تین سالوں کے تجربات ہمیں یہ ظاہر کریں گے کہ اوور ہیڈ اتنا برا نہیں ہونا چاہیے جتنا لوگوں نے سوچا،" لوکن نے کہا۔

اگرچہ ابھی اور بھی بہت کچھ کرنا باقی ہے، سٹین ہارورڈ کے کام کو "لیبارٹری میں غلطی کی اصلاح کے پروٹوکول کو اس درجے میں ایک قدم تبدیلی سمجھتا ہے۔"

گھومنا بند کرنا

اس طرح کی پیشرفت میں رائڈبرگ ایٹم کوبٹس اپنے حریفوں کے ساتھ بھی ڈرائنگ کرتے ہیں۔ سٹین نے کہا، "ہائی فیڈیلیٹی گیٹس، بڑی تعداد میں کوئبٹس، اعلی درستگی کی پیمائش اور لچکدار کنیکٹیویٹی کا امتزاج ہمیں رائڈبرگ ایٹم سرنی کو سپر کنڈکٹنگ اور ٹریپ آئن کوئبٹس کا حقیقی مدمقابل سمجھنے کی اجازت دیتا ہے۔"

سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس کے مقابلے میں، ٹیکنالوجی سرمایہ کاری کی لاگت کے ایک حصے پر آتی ہے۔ ہارورڈ گروپ کی ایک اسپن آف کمپنی ہے جسے کہا جاتا ہے۔ QuEra، جس نے پہلے ہی 256 کیوبٹ رائڈبرگ کوانٹم پروسیسر بنایا ہے۔ اکوئلا - ایک ینالاگ "کوانٹم سمیلیٹر"، جو اس کی نقلیں چلا سکتا ہے۔ بہت سے کوانٹم ذرات کے نظام - ایمیزون کے بریکٹ کوانٹم کمپیوٹنگ پلیٹ فارم کے ساتھ شراکت میں کلاؤڈ پر دستیاب ہے۔ QuEra کوانٹم غلطی کی اصلاح کو آگے بڑھانے کے لیے بھی کام کر رہا ہے۔

Saffman نامی کمپنی میں شمولیت اختیار کی انفلیکشنجو کوانٹم سینسرز اور کمیونیکیشنز کے ساتھ ساتھ کوانٹم کمپیوٹنگ کے لیے نیوٹرل ایٹم آپٹیکل پلیٹ فارم تیار کر رہا ہے۔ ایڈمز نے کہا، "مجھے حیرت نہیں ہوگی کہ اگر آئی ٹی کمپنیوں میں سے ایک بڑی کمپنی جلد ہی ان میں سے کسی ایک کے ساتھ شراکت داری کرتی ہے۔"

تھامسن نے کہا کہ "غیر جانبدار ایٹم کیوبٹس کے ساتھ توسیع پذیر غلطی کی اصلاح یقینی طور پر ممکن ہے۔" "میرے خیال میں 10,000 نیوٹرل ایٹم کیوبٹس واضح طور پر چند سالوں میں ممکن ہیں۔" اس سے آگے، وہ سوچتا ہے کہ لیزر پاور اور ریزولوشن پر عملی حدود کی ضرورت ہوگی۔ ماڈیولر ڈیزائن جس میں ایٹم کی کئی الگ الگ صفیں آپس میں جڑی ہوئی ہیں۔

اگر ایسا ہوا تو کون جانتا ہے کہ اس کا کیا نتیجہ نکلے گا؟ "ہم ابھی تک یہ بھی نہیں جانتے کہ ہم کوانٹم کمپیوٹنگ کے ساتھ کیا کر سکتے ہیں،" لوکن نے کہا۔ "مجھے واقعی امید ہے کہ یہ نئی پیشرفت ہمیں ان سوالات کے جوابات دینے میں مدد کرے گی۔"