Quantumness کی مقدار درست کرنے کی جستجو | کوانٹا میگزین

ماہر طبیعیات رچرڈ فین مین نے اس بات کی نشاندہی کرتے ہوئے کہ کوانٹم اصولوں پر مبنی کمپیوٹنگ ڈیوائسز کی تعمیر کو "کلاسیکی" کمپیوٹرز سے کہیں زیادہ طاقتوں کو غیر مقفل کر سکتے ہیں اسے 40 سال سے زیادہ کا عرصہ گزر چکا ہے۔ 1981 کی کلیدی تقریر میں اکثر کوانٹم کمپیوٹنگ کے شعبے کو شروع کرنے کا سہرا، فین مین نے ایک اب مشہور قیاس کے ساتھ ختم کیا:

"فطرت کلاسیکی نہیں ہے، ڈیمیٹ، اور اگر آپ فطرت کی نقل بنانا چاہتے ہیں، تو آپ اسے کوانٹم مکینیکل بنائیں گے۔"

ریاضی دان پیٹر شور کو کوانٹم کمپیوٹرز کے لیے ممکنہ طور پر تبدیلی کا پہلا استعمال پیش کیے ہوئے تقریباً 30 سال ہو چکے ہیں۔ ڈیجیٹل دنیا کی زیادہ تر حفاظت اس مفروضے پر بنائی گئی ہے۔ بڑی تعداد میں فیکٹرنگ ایک مشکل اور وقت طلب کام ہے۔ شور نے دکھایا کہ qubits - کوانٹم اشیاء جو 0 اور 1 کے مرکب میں موجود ہو سکتی ہیں - کو دل کی دھڑکن میں کرنے کے لیے، کم از کم معروف کلاسیکی طریقوں سے متعلق۔

محققین کافی پراعتماد محسوس کرتے ہیں (اگرچہ مکمل طور پر یقینی نہیں ہے) کہ شور کا کوانٹم الگورتھم تمام کلاسیکی الگورتھم کو مات دیتا ہے کیونکہ - زبردست ترغیبات کے باوجود - کسی نے بھی کلاسیکی مشین کے ساتھ جدید خفیہ کاری کو کامیابی سے نہیں توڑا ہے۔ لیکن فیکٹرنگ سے کم گلیمرس کاموں کے لیے، یہ ہے۔ یقینی طور پر کہنا مشکل ہے چاہے کوانٹم طریقے برتر ہیں۔ مزید بلاک بسٹر ایپلی کیشنز کی تلاش ایک بے ترتیب اندازے کا کھیل بن گیا ہے۔

"اس کے بارے میں جانے کا یہ ایک احمقانہ طریقہ ہے،" کہا کرسٹل نول، ڈیوک یونیورسٹی میں ماہر طبیعیات۔

پچھلے 20 سالوں میں، ریاضی کی طرف مائل طبیعیات دانوں اور جسمانی طور پر مائل ریاضی دانوں کے ایک ڈھیلے کنفیڈریشن نے کوانٹم دائرے کی طاقت کو زیادہ واضح طور پر شناخت کرنے کی کوشش کی ہے۔ ان کا مقصد؟ quantumness کو quantify کرنے کا طریقہ تلاش کرنے کے لیے۔ وہ ایک ایسی تعداد کا خواب دیکھتے ہیں جو وہ کچھ کوانٹم کیلکولیشن کے ذریعہ تیار کردہ qubits کے انتظام کو تفویض کرسکتے ہیں۔ اگر نمبر کم ہے، تو لیپ ٹاپ پر اس حساب کو نقل کرنا آسان ہوگا۔ اگر یہ زیادہ ہے تو، qubits کسی بھی کلاسیکل ڈیوائس کی پہنچ سے باہر واقعی مشکل مسئلے کا جواب پیش کرتے ہیں۔

مختصراً، محققین کوانٹم ڈیوائسز کی ممکنہ طاقت کی جڑ میں جسمانی اجزاء تلاش کر رہے ہیں۔

"یہیں سے مقدار کا آغاز انتہائی سخت معنوں میں ہوتا ہے،" کہا بل فیفرمین، شکاگو یونیورسٹی میں ایک کوانٹم محقق۔

ان کی تلاش نتیجہ خیز رہی ہے - شاید بہت زیادہ نتیجہ خیز۔ ایک میٹرک تلاش کرنے کے بجائے، محققین نے تین کو ٹھوکر کھائی ہے، ہر ایک کوانٹم اور کلاسیکی دائروں کو الگ کرنے کا ایک الگ طریقہ ہے۔ دریں اثنا، طبیعیات دانوں نے یہ سوچنا شروع کر دیا ہے کہ آیا تینوں میں سے کم سے کم ٹھوس مقدار کوانٹم کمپیوٹرز کے باہر دکھائی دیتی ہے۔ ابتدائی مطالعات سے پتہ چلا ہے کہ ایسا ہوتا ہے، اور یہ کہ یہ کوانٹم مادے کے مراحل اور بلیک ہولز کی تباہ کن نوعیت کو سنبھالنے کا ایک نیا طریقہ پیش کر سکتا ہے۔

ان وجوہات کی بناء پر، طبیعیات دان اور کمپیوٹر سائنس دانوں دونوں نے اس تین حصوں پر مشتمل کوانٹم بادشاہی کی صحیح ٹپوگرافی کا نقشہ بنانے کی کوشش کی ہے۔ اس موسم گرما میں، تحقیقی گروپوں کی ایک تینوں نے اعلان کیا کہ انہوں نے تینوں صوبوں کے سب سے کم واقف میں سے ابھی تک کا بہترین نقشہ تیار کیا ہے، جس سے یہ سمجھنے میں اہم تفصیلات شامل کی گئی ہیں کہ کلاسیکی کا اختتام کہاں سے ہوتا ہے اور واقعی کوانٹم کہاں سے شروع ہوتا ہے۔

یہ "یہ سمجھنا کافی بنیادی ہے کہ یہ افق کہاں ہے،" کہا کامل کورزیکوا پولینڈ میں جاگیلونین یونیورسٹی کے، نئے کاموں کے پیچھے محققین میں سے ایک۔ "کوانٹم کے بارے میں واقعی کوانٹم کیا ہے؟"

داخلہ

1990 کی دہائی میں، کوانٹم کمپیوٹرز کو طاقتور بنانے والا جسمانی جزو واضح نظر آتا تھا۔ اسے الجھنا تھا، دور دراز کے ذرات کے درمیان "خوفناک" کوانٹم لنک جس کی شناخت خود ایرون شروڈنگر نے "کوانٹم میکانکس کی خصوصیت" کے طور پر کی تھی۔

"الجھنے کا تذکرہ بہت جلد کیا گیا،" کہا رچرڈ جوزا، کیمبرج یونیورسٹی میں ایک ریاضی دان۔ "اور سب نے بس یہی سمجھا۔"

ایک وقت کے لیے، ایسا لگتا تھا کہ اس اہم کوانٹم مسالے کی تلاش شروع ہونے سے پہلے ہی ختم ہو گئی تھی۔

الجھنا، وہ رجحان جس میں دو کوانٹم ذرات ایک مشترکہ حالت بناتے ہیں، جو کوانٹم میکینکس کرنے کے بارے میں مشکل تھا - اور اس وجہ سے کوانٹم کمپیوٹرز کس چیز پر سبقت لے سکتے ہیں۔ جب ذرات الجھے ہوئے نہیں ہیں، تو آپ انفرادی طور پر ان پر نظر رکھ سکتے ہیں۔ لیکن جب ذرات الجھ جاتے ہیں، تو کسی نظام میں ایک ذرہ میں ترمیم یا جوڑ توڑ میں دوسرے الجھے ہوئے ذرات سے اس کے روابط کا حساب کتاب شامل ہوتا ہے۔ جب آپ مزید ذرات شامل کرتے ہیں تو یہ کام تیزی سے بڑھتا ہے۔ کی حالت کو مکمل طور پر بیان کرنے کے لیے n الجھے ہوئے کوئبٹس، آپ کو 2 جیسا کچھ درکار ہے۔ⁿ کلاسیکی بٹس؛ ایک کوبٹ کو ٹویک کرنے کے اثر کا حساب لگانے کے لیے، آپ کو 2 کے قریب کارکردگی کا مظاہرہ کرنے کی ضرورت ہے۔ⁿ کلاسیکی آپریشنز تین کیوبٹس کے لیے یہ صرف آٹھ قدم ہیں۔ لیکن 10 کیوبٹس کے لیے یہ 1,024 ہے — تیزی سے بڑھنے والی چیزوں کی ریاضیاتی تعریف۔

2002 میں، جوزسا نے کوانٹم "سرکٹ" کی تقلید کے لیے کلاسیکی کمپیوٹر استعمال کرنے کے لیے ایک سادہ عمل پر کام کرنے میں مدد کی، جو کوئبٹس پر کیے جانے والے آپریشنز کی ایک مخصوص سیریز ہے۔ اگر آپ کلاسیکی پروگرام کو کوئبٹس کا کچھ ابتدائی بندوبست دیتے ہیں، تو یہ کوانٹم سرکٹ سے گزرنے کے بعد، ان کے حتمی انتظام کی پیشین گوئی کرے گا۔ جوزسا نے ثابت کیا کہ، جب تک اس کا الگورتھم ایک ایسا سرکٹ بناتا ہے جو کوئبٹس کو نہیں الجھاتا تھا، یہ کوبٹس کی بڑی اور بڑی تعداد کو چلانے میں زیادہ وقت لیے بغیر ہینڈل کر سکتا ہے۔

دوسرے لفظوں میں، اس نے ظاہر کیا کہ ایک الجھنے سے پاک کوانٹم سرکٹ کو کلاسیکی کمپیوٹر پر نقل کرنا آسان تھا۔ کمپیوٹیشنل معنوں میں، سرکٹ اندرونی طور پر کوانٹم نہیں تھا۔ اس طرح کے تمام غیر الجھنے والے سرکٹس (یا، مساوی طور پر، کوئبٹس کے تمام انتظامات جو ان غیر الجھنے والے سرکٹس سے نکل سکتے ہیں) کے مجموعہ نے ایک وسیع کوانٹم سمندر میں کلاسیکی طور پر نقلی جزیرے کی تشکیل کی۔

اس سمندر میں واقعی کوانٹم سرکٹس کے نتیجے میں ریاستیں تھیں، جن کے لیے کلاسیکی تخروپن میں اربوں سال لگ سکتے ہیں۔ اس وجہ سے، محققین الجھن کو صرف ایک کوانٹم پراپرٹی کے طور پر نہیں بلکہ ایک کوانٹم وسیلہ کے طور پر دیکھتے ہیں: یہ وہ چیز تھی جس کی آپ کو نامعلوم گہرائیوں تک پہنچنے کی ضرورت تھی، جہاں شورز جیسے طاقتور کوانٹم الگورتھم رہتے تھے۔

آج، الجھن اب بھی سب سے زیادہ مطالعہ شدہ کوانٹم وسیلہ ہے۔ "اگر آپ 99 میں سے 100 طبیعیات دانوں سے پوچھیں [کوانٹم سرکٹس کو کیا طاقتور بناتا ہے] تو سب سے پہلی چیز جو ذہن میں آتی ہے وہ ہے الجھنا،" فیفرمین نے کہا۔

اور پیچیدگی کے ساتھ الجھن کے تعلقات میں فعال تحقیق جاری ہے۔ فیفرمین اور اس کے ساتھی، مثال کے طور پر، گزشتہ سال دکھایا کہ کوانٹم سرکٹس کے ایک خاص طبقے کے لیے، الجھنا مکمل طور پر طے کرتا ہے کہ سرکٹ کو کلاسیکی طور پر نقل کرنا کتنا مشکل ہے۔ فیفرمین نے کہا، "جیسے ہی آپ کسی خاص الجھن پر پہنچ جاتے ہیں،" آپ حقیقت میں سختی ثابت کر سکتے ہیں۔ کوئی [کلاسیکی] الگورتھم نہیں ہے جو کام کرے گا۔

لیکن فیفرمین کا ثبوت سرکٹس کا صرف ایک ذائقہ رکھتا ہے۔ اور یہاں تک کہ 20 سال پہلے، محققین پہلے ہی تسلیم کر رہے تھے کہ اکیلے الجھن ہی کوانٹم سمندر کی دولت کو حاصل کرنے میں ناکام رہی۔

جوزہ اور اس کے ساتھی نے اپنے 2002 کے مقالے میں لکھا، "الجھنے کے ضروری کردار کے باوجود،" ہم دلیل دیتے ہیں کہ اس کے باوجود کوانٹم کمپیوٹیشنل پاور کے لیے ایک اہم وسیلہ کے طور پر الجھن کو دیکھنا گمراہ کن ہے۔

یہ معلوم ہوا کہ مقدار کی تلاش ابھی شروع ہوئی تھی۔

 جادو کا تھوڑا سا

جوزہ جانتا تھا کہ الجھن کوانٹمنس پر حتمی لفظ نہیں ہے، کیونکہ اپنے کام سے چار سال پہلے، ماہر طبیعیات ڈینیل گوٹسمین دوسری صورت میں دکھایا تھا. تسمانیہ میں 1998 کی ایک کانفرنس میں، گوٹسمین وضاحت کی کہ، ایک مخصوص قسم کے کوانٹم سرکٹ میں، بظاہر نفیس کوانٹم مقدار ایک کلاسیکی کمپیوٹر کے لیے نقل کرنے کے لیے ایک چھوٹی سی چیز بن گئی۔

گوٹسمین کے طریقہ کار میں (جس پر اس نے ریاضی دان ایمانوئل کنل کے ساتھ تبادلہ خیال کیا)، الجھا دینے والے آپریشن میں بنیادی طور پر کچھ بھی خرچ نہیں ہوا۔ آپ جتنے کوبٹس کو اپنی پسند کے مطابق الجھا سکتے ہیں، اور ایک کلاسیکل کمپیوٹر اب بھی برقرار رہ سکتا ہے۔

کورزکوا نے کہا، "یہ 90 کی دہائی میں پہلی حیرتوں میں سے ایک تھی، گوٹسمین-نِل تھیوریم،"۔

کلاسیکی طور پر الجھنوں کی نقل کرنے کی صلاحیت ایک معجزہ کی طرح لگ رہی تھی، لیکن ایک کیچ بھی تھا۔ Gottesman-Knill الگورتھم تمام کوانٹم سرکٹس کو ہینڈل نہیں کر سکتا تھا، صرف وہ جو کہ نام نہاد کلفورڈ گیٹس سے چپک گئے تھے۔ لیکن اگر آپ ایک "T گیٹ" شامل کرتے ہیں، ایک بظاہر بے ضرر گیجٹ جو ایک مخصوص انداز میں qubit کو گھماتا ہے، تو ان کا پروگرام اس پر دم گھٹ جائے گا۔

ایسا لگتا ہے کہ یہ ٹی گیٹ کسی قسم کے کوانٹم وسیلہ تیار کرتا ہے - کچھ اندرونی طور پر کوانٹم جسے کلاسیکی کمپیوٹر پر نقل نہیں کیا جاسکتا۔ جلد ہی، ماہرین طبیعات کا ایک جوڑا ممنوعہ ٹی گیٹ گردش سے پیدا ہونے والے کوانٹم جوہر کو ایک دلکش نام دے گا: جادو۔

2004 میں، روس میں لینڈاؤ انسٹی ٹیوٹ فار تھیوریٹیکل فزکس کے اس وقت کے سرگئی براوی، اور کیلیفورنیا انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کے الیکسی کیٹائیف نے کسی کوانٹم کیلکولیشن کو ختم کرنے کے لیے دو اسکیمیں تیار کیں: آپ ٹی گیٹس کو سرکٹ میں ہی شامل کر سکتے ہیں۔ یا آپ لے سکتے ہیں "جادو کی حالت"کیوبٹس کی جو ٹی گیٹس کے ساتھ کسی دوسرے سرکٹ کے ذریعہ تیار کی گئی تھی اور اسے کلفورڈ سرکٹ میں کھلایا گیا تھا۔ کسی بھی طرح سے، مکمل مقدار کو حاصل کرنے کے لیے جادو ضروری تھا۔

ایک دہائی بعد، Bravyi اور ڈیوڈ گوسیٹکینیڈا کی یونیورسٹی آف واٹر لو کے ایک محقق نے اس بات پر کام کیا کہ کیوبٹس کے ایک سیٹ میں جادو کی مقدار کی پیمائش کیسے کی جائے۔ اور 2016 میں، انہوں نے ترقی کی کم جادو سرکٹس کی نقل کرنے کے لیے ایک کلاسیکی الگورتھم۔ ان کے پروگرام میں ہر اضافی ٹی گیٹ کے لیے تیزی سے زیادہ وقت لگتا ہے، حالانکہ تیزی سے اضافہ اتنا دھماکہ خیز نہیں ہے جتنا کہ دوسرے معاملات میں ہوتا ہے۔ انہوں نے آخر کار اپنے طریقہ کار کی کارکردگی کو کلاسیکی طور پر سیکڑوں کلفورڈ گیٹس اور تقریباً 50 ٹی گیٹس کے ساتھ کسی حد تک جادوئی سرکٹ کی تقلید کرتے ہوئے نرم کیا۔

آج، بہت سے محققین کلفورڈ موڈ (یا اس کے قریب) کوانٹم کمپیوٹر چلاتے ہیں، خاص طور پر اس لیے کہ وہ کلاسیکل کمپیوٹر کا استعمال کر کے یہ چیک کر سکتے ہیں کہ آیا چھوٹی چھوٹی ڈیوائسز ٹھیک سے کام کر رہی ہیں۔ گوسیٹ نے کہا کہ کلفورڈ سرکٹ "کوانٹم کمپیوٹنگ کے لیے اتنا مرکزی ہے کہ اسے بڑھانا مشکل ہے۔"

ایک نیا کوانٹم وسیلہ - جادو - گیم میں داخل ہوا تھا۔ لیکن الجھن کے برعکس، جس کا آغاز ایک مانوس جسمانی رجحان کے طور پر ہوا، طبیعیات دانوں کو اس بات کا یقین نہیں تھا کہ آیا جادو کوانٹم کمپیوٹرز کے باہر زیادہ اہمیت رکھتا ہے۔ حالیہ نتائج تجویز کرتے ہیں کہ یہ ہوسکتا ہے۔

2021 میں، محققین نے شناخت کیا کوانٹم مادے کے کچھ مراحل جس میں جادو ہونے کی ضمانت دی جاتی ہے، جتنا کہ مادے کے بہت سے مراحل ہوتے ہیں۔ الجھنے کے مخصوص نمونے. "آپ کو مادے کے مراحل کی مکمل زمین کی تزئین کے لئے جادو جیسے کمپیوٹیشنل پیچیدگی کے بہتر اقدامات کی ضرورت ہے۔" ٹموتھی ہسیپیری میٹر انسٹی ٹیوٹ فار تھیوریٹیکل فزکس کے ماہر طبیعیات جنہوں نے نتیجہ پر کام کیا۔ اور الیوسیا ہما نیپلز یونیورسٹی کے، اپنے ساتھیوں کے ساتھ، حال ہی میں تعلیم حاصل کی آیا یہ ممکن ہو گا — نظریہ میں — بلیک ہول کے ذریعے نگل جانے والی ڈائری کے صفحات کو مکمل طور پر اس سے خارج ہونے والی تابکاری کا مشاہدہ کر کے دوبارہ تشکیل دینا۔ جواب ہاں میں تھا، ہما نے کہا، "اگر بلیک ہول میں بہت زیادہ جادو نہیں ہے۔"

بہت سے طبیعیات دانوں کے لیے، ہما بھی شامل ہے، ایک نظام کو انتہائی کوانٹم بنانے کے لیے درکار جسمانی اجزاء واضح نظر آتے ہیں۔ الجھن اور جادو کا کچھ امتزاج ممکنہ طور پر ضروری ہے۔ کوئی بھی اکیلا کافی نہیں ہے۔ اگر کسی ریاست کا کسی بھی میٹرک پر صفر کا سکور ہے، تو آپ اسے اپنے لیپ ٹاپ پر جوزسا (اگر الجھن صفر ہے) یا براوی اور گوسیٹ (اگر جادو صفر ہے) سے تھوڑی مدد کے ساتھ نقل کر سکتے ہیں۔

اور پھر بھی کوانٹم کی تلاش جاری ہے، کیونکہ کمپیوٹر سائنس دان طویل عرصے سے جانتے ہیں کہ جادو اور الجھن بھی ایک ساتھ نہیں واقعی مقدار کی ضمانت نہیں دے سکتے۔

فرمیونک جادو

دوسرے کوانٹم میٹرک نے تقریباً ایک چوتھائی صدی پہلے شکل اختیار کرنا شروع کر دی تھی۔ لیکن حال ہی میں، یہ تینوں میں سب سے کم ترقی یافتہ تھا۔

2001 میں کمپیوٹر سائنسدان لیسلی وارڈن نقل کرنے کا ایک طریقہ دریافت کیا۔ کوانٹم کاموں کا تیسرا خاندان. جیسا کہ جوزسا کی تکنیک نے پھاٹکوں میں الجھے بغیر سرکٹس پر توجہ مرکوز کی تھی، اور Bravyi-Gosset الگورتھم بہت زیادہ T گیٹس کے بغیر سرکٹس کو کاٹ سکتا تھا، Valiant کا الگورتھم ان سرکٹس تک محدود تھا جن میں "swap gate" کی کمی تھی - ایک ایسا آپریشن جو دو کوبٹس لیتا ہے اور ان کا تبادلہ کرتا ہے۔ عہدوں

جب تک آپ qubits کا تبادلہ نہیں کرتے ہیں، آپ انہیں الجھا سکتے ہیں اور جتنا چاہیں جادو لگا سکتے ہیں، اور آپ پھر بھی اپنے آپ کو ایک اور الگ کلاسیکی جزیرے پر پائیں گے۔ لیکن جیسے ہی آپ ارد گرد کیوبٹس کو تبدیل کرنا شروع کرتے ہیں، آپ کسی بھی کلاسیکی کمپیوٹر کی صلاحیت سے باہر حیرت انگیز کام کر سکتے ہیں۔

جوزہ نے کہا کہ یہ "بلکہ عجیب و غریب" تھا۔ "صرف دو کیوبٹس کو تبدیل کرنے سے آپ کو اتنی طاقت کیسے مل سکتی ہے؟"

چند مہینوں کے اندر، نظریاتی طبیعیات دان باربرا ترہال اور ڈیوڈ ڈی ونسنزو نے اس طاقت کا منبع. انہوں نے ظاہر کیا کہ والینٹ کے سویپ گیٹ فری سرکٹس، جو "میچ گیٹ" سرکٹس کے نام سے جانے جاتے ہیں، خفیہ طور پر فزکس کے مسائل کے ایک معروف طبقے کی نقل کر رہے تھے۔ اسی طرح جس طرح کمپیوٹرز بڑھتی ہوئی کہکشاؤں یا جوہری رد عمل کی تقلید کرتے ہیں (حقیقت میں کہکشاں یا جوہری رد عمل کے بغیر)، میچ گیٹ سرکٹس فرمیونز کے ایک گروپ کی تقلید کرتے ہیں، ابتدائی ذرات کا ایک خاندان جس میں الیکٹران ہوتے ہیں۔

جب سویپ گیٹس استعمال نہیں کیے جاتے ہیں تو، نقلی فرمیون غیر باہم تعامل، یا "مفت" ہوتے ہیں۔ وہ کبھی ایک دوسرے سے نہیں ٹکراتے ہیں۔ طبیعیات دانوں کے لیے مفت الیکٹران کے مسائل کو حل کرنا نسبتاً آسان ہوتا ہے، بعض اوقات پنسل اور کاغذ سے بھی۔ لیکن جب سویپ گیٹس استعمال کیے جاتے ہیں تو، نقلی فرمیون آپس میں تعامل کرتے ہیں، آپس میں ٹکرا جاتے ہیں اور دوسری پیچیدہ چیزیں کرتے ہیں۔ یہ مسائل انتہائی مشکل ہیں، اگر حل نہیں ہوتے۔

چونکہ ماچس گیٹ سرکٹس آزاد، غیر باہم تعامل نہ کرنے والے فرمیونز کے رویے کی تقلید کرتے ہیں، ان کا کلاسیکی طور پر نقل کرنا آسان ہے۔

لیکن ابتدائی دریافت کے بعد، میچ گیٹ سرکٹس بڑی حد تک غیر دریافت ہو گئے۔ وہ مین اسٹریم کوانٹم کمپیوٹنگ کی کوششوں کے لیے اتنے متعلقہ نہیں تھے، اور ان کا تجزیہ کرنا زیادہ مشکل تھا۔

یہ گزشتہ موسم گرما میں بدل گیا. محققین کے تین گروہوں نے آزادانہ طور پر بریوی، گوسیٹ اور ان کے ساتھیوں کے کام کو اس مسئلے کو برداشت کرنے کے لیے لایا - تحقیق کا ایک غیر معمولی تقطیع جو کہ کم از کم ایک معاملے میں اس وقت دریافت ہوا جب کافی کے اوپر فرمیون آئے (جیسا کہ وہ اکثر ایسا کرتے ہیں جب طبیعیات دان ایک ساتھ)۔

ٹیموں نے رابطہ کیا۔ جاری of ان نتائج جولائی میں.

تینوں گروہوں نے بنیادی طور پر ریاضیاتی ٹولز کو دوبارہ متحرک کیا جو جادو کے علمبرداروں نے کلیفورڈ سرکٹس کو دریافت کرنے کے لیے تیار کیے تھے اور انھیں میچ گیٹ سرکٹس کے دائرے میں لاگو کیا۔ سرگی اسٹریلچک اور جوشوا کڈبی کیمبرج نے ریاضیاتی طور پر کوانٹم وسائل کی پیمائش پر توجہ مرکوز کی جس میں میچ گیٹ سرکٹس کی کمی تھی۔ تصوراتی طور پر، یہ وسیلہ "انٹرایکٹیویٹی" سے مطابقت رکھتا ہے - یا مصنوعی فرمیون ایک دوسرے کو کتنا سمجھ سکتے ہیں۔ کلاسیکی طور پر کوئی بھی تعامل آسان نہیں ہوتا ہے، اور زیادہ تعاملات تخروپن کو مشکل بنا دیتا ہے۔ لیکن انٹرایکٹیویٹی کے ایک اضافی ڈولپ نے نقالی کو کتنا مشکل بنایا؟ اور کیا کوئی شارٹ کٹ تھے؟

"ہمارے پاس کوئی وجدان نہیں تھا۔ ہمیں صفر سے شروع کرنا تھا،” اسٹریلچک نے کہا۔

دوسرے دو گروہوں نے ایک مشکل سے نقلی ریاست کو آسانی سے نقل کرنے والی ریاستوں کی ایک بڑی رقم میں توڑنے کا ایک طریقہ تیار کیا، اس بات پر نظر رکھتے ہوئے کہ یہ آسان ریاستیں کہاں منسوخ ہوئیں اور کہاں شامل ہوئیں۔

نتیجہ کلفورڈ کی دنیا سے میچ گیٹ کی دنیا میں کلاسیکی نقلی الگورتھم کو پورٹ کرنے کے لیے ایک طرح کی لغت تھی۔ "بنیادی طور پر ہر وہ چیز جو ان کے پاس [کلیفورڈ] سرکٹس کے لیے ہے اب ترجمہ کیا جا سکتا ہے،" کہا بیٹریز ڈیاس، میونخ میں ٹیکنیکل یونیورسٹی کے ماہر طبیعیات، "لہذا ہمیں ان تمام الگورتھم کو دوبارہ ایجاد کرنے کی ضرورت نہیں ہے۔"

اب، تیز الگورتھم کلاسیکی طور پر چند سویپ گیٹس کے ساتھ سرکٹس کی نقل کر سکتے ہیں۔ الجھن اور جادو کی طرح، الگورتھم ہر ممنوعہ دروازے کے اضافے کے ساتھ تیزی سے زیادہ وقت لیتے ہیں۔ لیکن الگورتھم ایک اہم قدم آگے کی نمائندگی کرتے ہیں۔

اولیور ریارڈن اسمتھ، جنہوں نے کورزکوا کے ساتھ کام کیا اور Michał Oszmanec وارسا میں پولش اکیڈمی آف سائنسز کا تخمینہ ہے کہ ان کا پروگرام 10 مہنگے سویپ گیٹس کے ساتھ ایک سرکٹ کو پہلے کے طریقوں سے 3 ملین گنا تیز تر بنا سکتا ہے۔ ان کا الگورتھم کلاسیکی کمپیوٹرز کو کوانٹم سمندر میں تھوڑا گہرائی میں دھکیلنے کی اجازت دیتا ہے، دونوں کوانٹم کمپیوٹرز کی کارکردگی کی تصدیق کرنے کی ہماری صلاحیت کو تقویت دیتے ہیں اور اس خطے کو پھیلاتے ہیں جہاں کوئی قاتل کوانٹم ایپ نہیں رہ سکتی۔

ریارڈن سمتھ نے کہا کہ کوانٹم کمپیوٹرز کی نقل بہت سے لوگوں کے لیے مفید ہے۔ "ہم اسے جتنی جلدی اور سستا کر سکتے ہیں کرنا چاہتے ہیں۔"

جہاں تک "انٹرایکٹیویٹی" وسائل کو کیا کہا جائے جو گیٹس کو تبدیل کرتا ہے، اس کا اب بھی کوئی سرکاری نام نہیں ہے۔ کچھ لوگ اسے محض جادو کہتے ہیں، اور دوسرے "نان فرمیونک چیزیں" جیسی فوری اصطلاحات پھینک دیتے ہیں۔ اسٹریلچک "فرمیونک جادو" کو ترجیح دیتے ہیں۔

افق پر مزید جزائر

اب محققین تین میٹرکس کا استعمال کرتے ہوئے کوانٹمنیس کی مقدار کو آسانی سے بڑھا رہے ہیں، ہر ایک تین کلاسیکی تخروپن طریقوں میں سے ایک کے مطابق ہے۔ اگر کوئبٹس کا مجموعہ بڑی حد تک غیر الجھا ہوا ہے، اس میں تھوڑا سا جادو ہے، یا تقریباً مفت فرمیون کا ایک گروپ بناتا ہے، تو محققین جانتے ہیں کہ وہ کلاسیکی لیپ ٹاپ پر اس کی پیداوار کو دوبارہ پیش کر سکتے ہیں۔ ان تینوں کوانٹم میٹرکس میں سے کسی ایک پر کم اسکور والا کوئی بھی کوانٹم سرکٹ کلاسیکی جزیرے کے ساحلوں کے بالکل فاصلے پر موجود ہے، اور یقینی طور پر اگلے شور کا الگورتھم نہیں ہوگا۔

"بالآخر، [کلاسیکی تخروپن کا مطالعہ] ہمیں یہ سمجھنے میں مدد کرتا ہے کہ کوانٹم فائدہ کہاں سے مل سکتا ہے،" گوسیٹ نے کہا۔

لیکن جتنے زیادہ واقف محققین یہ اندازہ لگانے کے ان تین مختلف طریقوں سے حاصل کرتے ہیں کہ کوانٹم کا ایک گروپ کتنا ہو سکتا ہے، اتنا ہی زیادہ گمراہ کن ایک واحد نمبر تلاش کرنے کا ابتدائی خواب جو کوانٹمنس کے تمام پہلوؤں کو پکڑتا ہے۔ سختی سے کمپیوٹیشنل معنوں میں، کسی بھی دیے گئے سرکٹ کے لیے ضروری ہے کہ تمام ممکنہ الگورتھم کا استعمال کرتے ہوئے اس کی تقلید کرنے کے لیے کم سے کم وقت درکار ہو۔ اس کے باوجود الجھن، جادو اور فرمیونک جادو ایک دوسرے سے بالکل مختلف ہیں، اس لیے ان کو ایک عظیم کوانٹم میٹرک کے تحت یکجا کرنے کا امکان اس بات کا حساب لگانے کے لیے کہ مختصر ترین رن ٹائم بہت دور لگتا ہے۔

"مجھے نہیں لگتا کہ اس سوال کا کوئی مطلب ہے،" جوزہ نے کہا۔ "ایسی کوئی ایک چیز نہیں ہے جس میں اگر آپ اس میں سے زیادہ تر ڈالیں تو آپ کو زیادہ طاقت ملے گی۔"

بلکہ، تینوں کوانٹم وسائل ریاضیاتی زبانوں کے نمونے لگتے ہیں جو مقدار کی پیچیدگی کو آسان فریم ورک میں ڈھالنے کے لیے استعمال ہوتی ہیں۔ الجھن ایک وسیلہ کے طور پر ابھرتی ہے جب آپ کوانٹم میکانکس کو اس طریقے سے مشق کرتے ہیں جس طرح شروڈنگر نے بیان کیا تھا، جو اس کی مترادف مساوات کا استعمال کرتے ہوئے یہ اندازہ لگاتا ہے کہ مستقبل میں کسی ذرہ کی لہر کا فعل کس طرح بدلے گا۔ یہ کوانٹم میکانکس کا درسی کتاب کا ورژن ہے، لیکن یہ واحد ورژن نہیں ہے۔

جب گوٹس مین نے کلفورڈ سرکٹس کی تقلید کا اپنا طریقہ تیار کیا، تو اس نے اسے ورنر ہائزنبرگ کے تیار کردہ کوانٹم میکانکس کی پرانی قسم پر مبنی بنایا۔ ہائزنبرگ کی ریاضی کی زبان میں، ذرات کی حالت تبدیل نہیں ہوتی۔ اس کے بجائے، یہ "آپریٹرز" ہیں — وہ ریاضیاتی اشیاء جنہیں آپ کسی مشاہدے کی مشکلات کا اندازہ لگانے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں — جو تیار ہوتے ہیں۔ کسی کے نظریے کو فری فرمیون تک محدود کرنے میں ایک اور ریاضیاتی عینک کے ذریعے کوانٹم میکانکس کو دیکھنا شامل ہے۔

ہر ریاضیاتی زبان فصاحت کے ساتھ کوانٹم سٹیٹس کے کچھ پہلوؤں کو گرفت میں لے لیتی ہے، لیکن کچھ اور کوانٹم پراپرٹیز کو ضائع کرنے کی قیمت پر۔ یہ اناڑی طور پر ظاہر کردہ خصوصیات پھر اس ریاضیاتی فریم ورک میں کوانٹم وسیلہ بن جاتی ہیں - جادو، الجھن، فرمیونک جادو۔ اس حد پر قابو پاتے ہوئے اور ان سب پر حکمرانی کرنے کے لیے ایک کوانٹم خصوصیت کی نشاندہی کرنے کے لیے، جوزسا نے قیاس کیا، کوانٹم میکانکس کے اظہار کے لیے تمام ممکنہ ریاضی کی زبانیں سیکھنے کی ضرورت ہوگی اور ایسے عالمگیر خصلتوں کی تلاش کی جائے گی جو وہ سب شیئر کر سکتے ہیں۔

یہ کوئی خاص طور پر سنجیدہ تحقیقی تجویز نہیں ہے، لیکن محققین بڑی تینوں سے آگے مزید کوانٹم زبانوں کا مطالعہ کر رہے ہیں، اور ان کے ساتھ آنے والے کوانٹم وسائل۔ Hsieh، مثال کے طور پر، کوانٹم مادے کے ان مراحل میں دلچسپی رکھتا ہے جو معیاری طریقے سے تجزیہ کرنے پر بے ہودہ منفی امکانات پیدا کرتے ہیں۔ یہ نفی، اس نے پایا ہے، مادے کے بعض مراحل کی وضاحت اسی طرح کر سکتا ہے جس طرح جادو کر سکتا ہے۔

دہائیوں پہلے، ایسا لگتا تھا جیسے اس سوال کا جواب واضح تھا کہ سسٹم کوانٹم کیا بناتا ہے۔ آج، محققین بہتر جانتے ہیں. 20 سال پہلے چند کلاسیکی جزیروں کی تلاش کے بعد، بہت سے لوگوں کو شبہ ہے کہ شاید ان کا سفر کبھی ختم نہ ہو۔ یہاں تک کہ جب وہ کوانٹم پاور کہاں نہیں ہے اس کے بارے میں اپنی سمجھ کو بہتر بناتے رہتے ہیں، وہ جانتے ہیں کہ وہ کبھی بھی قطعی طور پر یہ نہیں کہہ پائیں گے کہ یہ کہاں ہے۔

Quanta ہمارے سامعین کی بہتر خدمت کے لیے سروے کا ایک سلسلہ کر رہا ہے۔ ہماری لے لو فزکس ریڈر سروے اور آپ کو مفت جیتنے کے لیے داخل کیا جائے گا۔ Quanta پنی