کوانٹم کمپیوٹنگ کی تشریح: Qubits کیسے کام کرتے ہیں اور اب یہ کیوں اہم ہے

ایک کلاسیکی کمپیوٹر معلومات کو bits میں محفوظ کرتا ہے جو یا تو 0 یا 1 ہیں، جیسے ایک سوئچ جو آن یا آف ہو۔ ایک کوانٹم کمپیوٹر اس کے بجائے Qubits استعمال کرتا ہے، جو IBM کے کوانٹم کمپیوٹنگ پر سرکاری وضاحت کے مطابق بیک وقت 0، 1، یا دونوں کے وزنی امتزاج کی نمائندگی کر سکتے ہیں۔ یہ خاصیت، جسے superposition کہا جاتا ہے، ایک وجہ ہے کہ کوانٹم مشینیں بعض مسائل کے بہت سے ممکنہ جوابات کو بیک وقت دریافت کر سکتی ہیں بجائے ایک وقت میں ایک کے۔

مشین کے پیچھے طبیعیات

IBM نے چار کوانٹم میکانی اثرات کی نشاندہی کی ہے جو کوانٹم کمپیوٹنگ کو ممکن بناتے ہیں: superposition، entanglement، interference اور decoherence۔ Entanglement Qubits کو اس طرح منسلک کرتا ہے کہ ایک کو ماپنے سے دوسرے کے بارے میں معلومات حاصل ہوتی ہے، یہاں تک کہ جب دونوں جسمانی طور پر الگ ہوں۔ Interference ایک کوانٹم سرکٹ کو صحیح جوابات کو بڑھانے اور غلط لوگوں کو منسوخ کرنے دیتا ہے، اسی طرح جیسے ملتے جلتے لہریں ایک دوسرے کو تقویت دے سکتی ہیں یا منسوخ کر سکتی ہیں۔ Decoherence برعکس اثر ہے — کوانٹم حالتیں عام کلاسیکی قدروں میں منہدم ہو جاتی ہیں — اور یہ بنیادی رکاوٹ ہے جو انجینیرز کو کوانٹم پروسیسر کو مفید رکھنے کے لیے دبانا لازمی ہے، IBM کے مطابق۔

Qubits کو متعدد جسمانی نظاموں سے بنایا جا سکتا ہے، بشمول superconducting سرکٹس جو مطلق صفر کے قریب ٹھنڈے ہیں، پھنسے ہوئے ions، کوانٹم dots اور photons۔ IBM کے اپنے کوانٹم پروسیسرز superconducting سرکٹس پر انحصار کرتے ہیں کیونکہ وہ موجودہ chip-fabrication تکنیکوں کے ساتھ تیار اور کنٹرول کیے جا سکتے ہیں، IBM کہتے ہیں۔

ایک تصدیق شدہ فائدہ: Google کی Willow Chip

22 اکتوبر 2025 کو، Google نے اعلان کیا کہ اس کی 105-qubit Willow processor نے جو کچھ کمپنی نے پہلی تصدیق شدہ کوانٹم فائدے کے نام سے پکارا، ایک الگورتھم استعمال کرتے ہوئے جس کا نام اس نے Quantum Echoes رکھا، Google کے سرکاری بلاگ پوسٹ کے مطابق۔ یہ الگورتھم Qubits کے سیٹ میں ایک سگنل بھیجتا ہے، ان میں سے ایک میں خلل ڈالتا ہے، پھر سگنل کی تطور کو الٹاتا ہے تاکہ constructive interference کے ذریعے بنایا گیا ایک تیز 'echo' سنے۔

Google نے اطلاع دی کہ Quantum Echoes Willow پر دنیا کے تیز ترین سپر کمپیوٹرز میں سے ایک پر بہترین معروف کلاسیکی الگورتھم سے 13,000 گنا تیزی سے چلا۔ کمپنی نے زور دیا کہ، اپنی 2019 quantum-supremacy دعویٰ کے برعکس، یہ نتیجہ 'تصدیق شدہ' ہے — اسے موازنہ کے لائق کوانٹم ہارڈویئر پر دوہرایا جا سکتا ہے اور cross-checked کیا جا سکتا ہے، بجائے ایک نمونہ حاصل کرنے والے کام پر جس کے آؤٹ پٹ کی تصدیق کرنے کا کوئی آزاد طریقہ نہ ہو۔

University of California، Berkeley کے محققین کے ساتھ کام کرتے ہوئے، Google نے 15 اور 28 atoms پر مشتمل مالیکیولز سے nuclear magnetic resonance (NMR) سگنلز کا مطالعہ کرنے کے لیے الگورتھم کا استعمال کیا، دوا کی دریافت، بیٹری کے مواد اور نئے Qubits کی ڈیزائن میں ممکنہ مستقبل کے استعمال کی طرف اشارہ کرتے ہوئے، اسی Google کے اعلان کے مطابق۔

'Utility' سے Fault Tolerance تک IBM کا راستہ

IBM ترقی کے متعدد مراحل میں فرق کرتا ہے۔ کمپنی کہتی ہے کہ اس نے 2023 میں 'quantum utility' حاصل کی، مطلب اس کے کوانٹم پروسیسرز مخصوص کاموں پر کلاسیکی approximation طریقوں کو بہتر بنا سکتے ہیں۔ IBM نے کہا ہے کہ اسے 2026 کے آخر تک 'quantum advantage' حاصل کرنے کی توقع ہے — ایک عملی مسئلہ پر تمام معروف کلاسیکی طریقوں کو بہتر بنانا — کمپنی کے اپنے کوانٹم کمپیوٹنگ overview کے مطابق۔

اس سے آگے، IBM نے fault-tolerant کوانٹم کمپیوٹنگ کی طرف ایک roadmap شائع کیا ہے، جہاں غلطیاں پائی جاتی ہیں اور حساب کتاب کو خراب کرنے سے پہلے درست کی جاتی ہیں۔ یہ roadmap 2025 میں جاری Quantum Loon نام کے chip کی تفصیل دیتا ہے جس میں high-rate qLDPC codes کی طرف proof-of-concept تجربات کے لیے اضافی qubit connectivity ہے، ایک ماڈیول Quantum Kookaburra 2026 کے لیے منصوبہ بندی شدہ ہے جو quantum low-density parity-check (qLDPC) میموری استعمال کرتے ہوئے معلومات محفوظ کرتا ہے، اور Starling نام کا نظام 2029 کے لیے مقصود ہے جو IBM کہتا ہے کہ 200 logical Qubits پر 100 ملین کوانٹم gates چلانا چاہیے۔ IBM کا error-correction approach اس چیز کو استعمال کرتا ہے جسے وہ 'bivariate bicycle codes' کہتے ہیں، بشمول ایک '[[144,12,12]] gross code' جو کمپنی کہتی ہے کہ پہلے کے surface-code طریقوں کے مقابلے میں ایک جیسی error protection حاصل کرنے کے لیے تقریباً دس گنا کم جسمانی Qubits کی ضرورت ہے۔

انکرپشن پہلے سے ہی دوبارہ کیوں لکھی جا رہی ہے

کوانٹم کمپیوٹرز لیب سے آگے اہم ہیں Shor کے الگورتھم کی وجہ سے، Peter Shor کے ذریعے 1994 میں شائع کیا گیا ایک ریاضیاتی طریقہ جو ظاہر کرتا ہے کہ ایک کافی طاقتور کوانٹم کمپیوٹر بڑی تعداد کو کسی بھی کلاسیکی کمپیوٹر سے بہت تیزی سے — اور اس لیے وسیع طور پر استعمال شدہ RSA-style انکرپشن کو توڑ سکتا ہے — IBM کے overview کی نوٹ کے مطابق۔

یہ خطرہ معیارات بدی کے لیے فرضی نہیں ہے۔ 13 اگست 2024 کو، امریکہ کے National Institute of Standards and Technology (NIST) نے اپنے پہلے تین post-quantum انکرپشن معیارات کو حتمی شکل دی: FIPS 203 (ML-KEM) عمومی انکرپشن کے لیے، اور FIPS 204 (ML-DSA) اور FIPS 205 (SLH-DSA) ڈیجیٹل دستخطوں کے لیے، NIST کے سرکاری اعلان کے مطابق۔ NIST ریاضی دان Dustin Moody نے کہا کہ تنظیمیں ان کو 'اپنے نظاموں میں فوری طور پر شامل کرنا شروع کریں، کیونکہ مکمل انضمام میں وقت لگے گا۔'

کوانٹم کمپیوٹرز کیا نہیں ہیں

IBM کے مواد پر زور دیتے ہیں کہ کوانٹم کمپیوٹرز سادہ طور پر عام کمپیوٹرز کی تیز ورژنز نہیں ہیں؛ وہ مسائل کی مخصوص اقسام کے لیے موزوں ہیں — جیسے مالیکیولز، chemical reactions اور بعض optimization یا machine-learning کاموں کی نقالی — جہاں متضاد variables کی تعداد کلاسیکی کمپیوٹرز کے لیے مکمل طور پر ٹریک کرنے کے لیے بہت بڑی ہو جاتی ہے۔ روزمرہ کے کاموں جیسے word processing یا web browsing کے لیے، کلاسیکی کمپیوٹرز بہت زیادہ عملی رہتے ہیں۔