کوانٹم کمپیوٹنگ کوانٹم میکینکس کے اصولوں کا استعمال کرتے ہوئے ڈیٹا پر کارروائی کرتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، کوانٹم کمپیوٹنگ کلاسیکی کمپیوٹنگ سے مختلف نقطہ نظر کی ضرورت ہے. کوانٹم کمپیوٹرز میں استعمال ہونے والا پروسیسر اس امتیاز کی ایک مثال ہے۔
جبکہ روایتی کمپیوٹرز سلکان پر مبنی پروسیسر استعمال کرتے ہیں، کوانٹم کمپیوٹرز کوانٹم سسٹم جیسے ایٹم، آئنز، فوٹون، یا الیکٹران استعمال کرتے ہیں۔ وہ بٹس کی نمائندگی کرنے کے لیے کوانٹم خصوصیات کا استعمال کرتے ہیں جو 1 اور 0 کے مختلف کوانٹم سپرپوزیشنز میں بنائے جا سکتے ہیں۔
تو، اس تناظر میں اصطلاح "کوانٹم" کا بالکل کیا مطلب ہے؟ کیا یہ ایک اہم چھلانگ ہے؟
اصطلاح کوانٹم لاطینی لفظ کوانٹم سے ماخوذ ہے، جس کا مطلب ہے "مقدار"۔ یہ فزکس میں 'توانائی کی مجرد مقدار ہے جس کی تابکاری کی فریکوئنسی اس کی نمائندگی کرتی ہے'۔ مجرد سے مراد ایسی چیز ہے جو نہ تو متواتر ہو اور نہ ہی الگ۔ کوانٹم اس معنی میں منفرد یا اہم مقدار سے مراد ہے۔
کوانٹم کمپیوٹنگ کیا ہے؟
کوانٹم کمپیوٹنگ حسابات کے لیے الگورتھم بنانے کے لیے الجبری طریقے استعمال کر رہا ہے، جو اکثر کوانٹم فزکس میں استعمال کیے جانے والے ایک جیسے یا مماثل ہوتے ہیں۔ کوانٹم میکانکس، بدلے میں، ایک بنیادی فزکس تھیوری سے مراد ہے جو ایٹموں اور ذیلی ایٹمی ذرات کی جسامت پر فطرت کی جسمانی خصوصیات کی وضاحت میں غوطہ زن ہے۔
A کوانٹم کمپیوٹر اس طرح ایک فرضی کمپیوٹر ہے جو اس طرح کے الگورتھم کو نافذ کرنے کے قابل ہے۔ نتیجے کے طور پر، کوانٹم کمپیوٹرز بنیادی طور پر کوانٹم بٹس پر مبنی ہوتے ہیں، جنہیں qubits بھی کہا جاتا ہے، جو ایک الیکٹران سے بنائے جا سکتے ہیں۔
کوانٹم میٹریل کوانٹم میکینکس کے اصولوں کے مطابق برتاؤ کرتا ہے، تصورات کا استعمال کرتا ہے جیسے امکانی حساب، سپرپوزیشن، اور داخلہ. یہ خیالات کوانٹم الگورتھم کی بنیاد کے طور پر کام کرتے ہیں، جو پیچیدہ مسائل سے نمٹنے کے لیے کوانٹم کمپیوٹرز کی صلاحیتوں کا استعمال کرتے ہیں۔
اس مضمون میں، میں ان تمام چیزوں پر بات کروں گا جن کی آپ کو کوانٹم اینگلمنٹ کے بارے میں جاننے کی ضرورت ہے۔
کوانٹم الجھن کیا ہے؟
کوانٹم الجھن اس وقت ہوتی ہے جب دو نظام اتنے قریب سے جڑے ہوتے ہیں کہ ایک کے بارے میں جاننا آپ کو دوسرے کے بارے میں فوری طور پر علم فراہم کرتا ہے، چاہے وہ کتنے ہی فاصلے پر ہوں۔
آئن سٹائن جیسے سائنس دان اس رجحان سے حیران رہ گئے، جسے انہوں نے "فاصلے پر ایک ڈراونا عمل" قرار دیا کیونکہ اس نے اس اصول کو توڑ دیا کہ کوئی بھی معلومات روشنی کی رفتار سے زیادہ تیز نہیں بھیجی جا سکتی۔ فوٹوون اور الیکٹران کا استعمال کرتے ہوئے اضافی تجربات، تاہم، تصدیق شدہ الجھن۔
الجھن کوانٹم کمپیوٹنگ کا سنگ بنیاد ہے۔ فزکس میں کوانٹم اینگلمنٹ سے مراد کوانٹم پارٹیکلز کے درمیان انتہائی مضبوط ربط ہے۔ یہ رابطہ اتنا مضبوط ہے کہ دو یا دو سے زیادہ کوانٹم ذرات بہت زیادہ فاصلوں سے الگ ہونے کے دوران ناقابل برداشت طور پر جڑے جا سکتے ہیں۔
اس کو مزید سمجھنے کے لیے، ایک سادہ موازنہ پر غور کریں جس کا تعلق فزکس یا کمپیوٹنگ سے نہیں ہے۔ غور کیجئے اگر ایک نہیں بلکہ دو سکے پھینکے گئے تو کیا ہوگا۔ عام طور پر، چاہے ایک سکہ سر یا دم پر اترے، دوسرے سکے کے ٹاس کے نتائج پر بہت کم اثر پڑتا ہے۔
تاہم، الجھنے کی صورت میں، دونوں حصے جڑے ہوئے ہیں یا الجھے ہوئے ہیں، قطع نظر اس کے کہ وہ جسمانی طور پر الگ الگ کیوں نہ ہوں۔ اس صورت میں، اگر ایک سکہ سروں پر آتا ہے، تو دوسرا سکہ اسی طرح سروں کو ظاہر کرے گا، اور اس کے برعکس۔
کوانٹم الجھن کو سمجھنا (مثال کے ساتھ)
کوانٹم اینگلمنٹ درحقیقت ایک ایسی صورت حال ہے جس میں دو نظام (عام طور پر الیکٹران یا فوٹون) اتنے قریب سے جڑے ہوئے ہیں کہ ایک نظام کی "ریاست" (الیکٹران کے گھماؤ کی سمت، جیسے کہ "اوپر") کے بارے میں معلومات حاصل کرنے سے دوسرے نظام کے بارے میں فوری معلومات حاصل ہوتی ہیں۔ "ریاست" (دوسرے الیکٹران کے گھماؤ کی سمت، "نیچے" کہیے) اس سے قطع نظر کہ یہ نظام کتنے ہی فاصلے پر موجود ہیں۔
"فوری" اور "قطع نظر اس کے کہ وہ کتنے ہی دور ہیں" کے جملے اہم ہیں۔ اس رجحان نے آئن سٹائن جیسے سائنسدانوں کو پریشان کر دیا ہے، کیونکہ ریاست کی تعریف اس وقت تک نہیں کی جاتی جب تک کہ اس کی پیمائش نہ کی جائے، اور معلومات کی ترسیل اس کلاسیکی طبیعیات کے اصول کی نفی کرتی ہے کہ معلومات کو روشنی کی رفتار سے زیادہ تیزی سے منتقل نہیں کیا جا سکتا۔
تاہم، 1980 کی دہائی سے شروع ہونے والی تحقیق اور جانچ کی بدولت 1980 کی دہائی سے الیکٹران اور فوٹون دونوں کا استعمال ثابت ہوا ہے۔
دو ذیلی ایٹمی ذرات (الیکٹران) پیدا کیے جاسکتے ہیں تاکہ انہیں ایک لہر کے فعل سے بیان کیا جاسکے۔ الجھنا ایک طریقہ میں صفر گھماؤ والے پیرنٹ پارٹیکل کو مساوی لیکن مخالف گھماؤ والے دو الجھے ہوئے بیٹی ذرات میں زائل ہونے کی اجازت دے کر حاصل کیا جا سکتا ہے۔
اگر دو بیٹیوں کے ذرات کسی چیز کے ساتھ تعامل نہیں کرتے ہیں، تو ان کی لہر کے افعال برابر اور مخالف رہیں گے، چاہے ان کی پیمائش کتنی ہی فاصلے پر کی جائے۔ سائنسدانوں نے جانچ کے ذریعے طے کیا کہ الجھنے کے وقت کا معلومات پر کوئی اثر نہیں ہوتا ہے۔
اس کے بجائے، معلومات دوسرے ذرے کو روشنی کی رفتار سے زیادہ تیزی سے بھیجی جاتی ہے جب ایک ذرہ کی معلومات کی پیمائش کی جاتی ہے۔
نتیجے کے طور پر، معلومات اس رفتار سے بہتی ہیں. لیکن ہمارا اس پر کوئی کنٹرول نہیں ہے - یہ کنٹرول کی کمی کوانٹم اینٹینگلمنٹ کے استعمال کو محدود کرتی ہے، جیسے کہ روشنی کی رفتار سے زیادہ تیز پیغام یا دیگر معلومات بھیجنا۔
کوانٹم کمپیوٹنگ میں الجھن کیا کردار ادا کرتی ہے؟
الجھے ہوئے کوئبٹ کی حالت کو فوری طور پر تبدیل کرنے سے کوانٹم کمپیوٹرز میں جوڑے ہوئے کوئبٹ کی حالت بدل جاتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، الجھن کوانٹم کمپیوٹرز کی پروسیسنگ کی رفتار کو تیز کرتی ہے۔
چونکہ ایک کوئبٹ پر کارروائی کرنے سے متعدد کوئبٹس کے بارے میں معلومات سامنے آتی ہیں، اس لیے کوئبٹس کی تعداد کو دوگنا کرنے سے عمل کی تعداد میں اضافہ ضروری نہیں ہے (یعنی الجھے ہوئے کوئبٹس)۔
کوانٹم الجھن، مطالعات کے مطابق، کوانٹم الگورتھم کے لیے کلاسیکی حسابات سے زیادہ تیز رفتاری فراہم کرنے کے لیے ضروری ہے۔
کوانٹم کمپیوٹنگ میں الجھنے والی ایپلی کیشنز
متعدد ایپلی کیشنز اس ایک قسم کی جسمانی خصوصیت سے فائدہ اٹھا سکتی ہیں، جو ہمارے حال اور مستقبل کو بدل دے گی۔ کوانٹم انکرپشن، سپر ڈینس کوڈنگ، ہو سکتا ہے کہ روشنی سے زیادہ تیز ٹرانسمیشن، اور یہاں تک کہ ٹیلی پورٹیشن سبھی کو الجھ کر فعال کیا جا سکتا ہے۔
کوانٹم کمپیوٹرز فنانس اور بینکنگ سمیت متعدد صنعتوں میں وقت اور پروسیسنگ پاور انٹینسی چیلنجز سے نمٹنے کی صلاحیت رکھتے ہیں۔
کوانٹم اینگلمنٹ ایک ایسا رجحان ہے جو اس طرح کے کمپیوٹرز کو ان کے qubits کے درمیان ڈیٹا کے بہاؤ کو سنبھالنے کے لیے درکار وقت اور پروسیسنگ پاور کو کم کرکے مدد کرسکتا ہے۔
1. کوانٹم کرپٹوگرافی
کلاسیکی خفیہ نگاری میں، بھیجنے والا پیغام کو ایک کلید سے انکوڈ کرتا ہے، جبکہ وصول کنندہ اسے مشترکہ کلید سے ڈی کوڈ کرتا ہے۔ تاہم، اس بات کا خطرہ ہے کہ کوئی تیسرا فریق چابیاں کے بارے میں علم حاصل کر لے گا اور خفیہ نگاری کو روکنے اور کمزور کرنے کے قابل ہو جائے گا۔
دونوں فریقوں کے درمیان ایک محفوظ چینل بنانا اٹوٹ کرپٹوگرافی کی بنیاد ہے۔ الجھنا اس کا سبب بن سکتا ہے۔ چونکہ دونوں نظام الجھے ہوئے ہیں، وہ ایک دوسرے کے ساتھ جڑے ہوئے ہیں (جب ایک بدلتا ہے تو دوسرا بھی)، اور کوئی تیسرا فریق اس ارتباط کا اشتراک نہیں کرے گا۔
کوانٹم کرپٹوگرافی نو کلوننگ سے بھی فائدہ اٹھاتی ہے، جس کا مطلب ہے کہ کسی نامعلوم کوانٹم حالت کی ایک جیسی نقل تیار کرنا ناممکن ہے۔ نتیجے کے طور پر، کوانٹم حالت میں انکوڈ شدہ ڈیٹا کو نقل کرنا ناممکن ہے۔
ناقابل تسخیر کوانٹم کلید کی تقسیم کے ساتھ، کوانٹم کرپٹوگرافی کو پہلے ہی محسوس کیا جا چکا ہے (QKD)۔ QKD کلید کے بارے میں معلومات پہنچانے کے لیے تصادفی طور پر پولرائزڈ فوٹونز کا استعمال کرتا ہے۔ وصول کنندہ پولرائزنگ فلٹرز اور پیغام کو خفیہ کرنے کے لیے استعمال ہونے والی تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے کلید کو سمجھتا ہے۔
خفیہ ڈیٹا کو اب بھی معیاری کمیونیکیشن لائنوں کے ذریعے منتقل کیا جاتا ہے، لیکن صرف درست کوانٹم کلید ہی پیغام کو ڈی کوڈ کر سکتی ہے۔ چونکہ "پڑھنا" پولرائزڈ فوٹون اپنی حالتوں کو تبدیل کرتے ہیں، کوئی بھی چھپ چھپ کر بات چیت کرنے والوں کو مداخلت سے آگاہ کرتا ہے۔
QKD ٹیکنالوجی فی الحال فائبر آپٹک کیبل کی طرف سے محدود ہے، جو حاصل کرنے کے لئے بہت زیادہ بیہوش ہونے سے پہلے تقریبا 100 کلومیٹر تک فوٹوون فراہم کر سکتی ہے۔ 2004 میں، پہلی الجھی ہوئی QKD بینک ٹرانسفر آسٹریا میں ہوئی۔
اس بات کو یقینی بنانا کہ اٹوٹ اور چھیڑ چھاڑ سے پاک مواصلات کی ترسیل جو کہ جسمانی اصولوں کی بنیاد پر یقینی طور پر محفوظ ہیں فنانس، بینکنگ، ملٹری، میڈیکل اور دیگر شعبوں میں واضح اطلاقات ہیں۔ کئی کاروبار اب الجھے ہوئے QKD کا استعمال کر رہے ہیں۔
2. کوانٹم ٹیلی پورٹیشن
کوانٹم ٹیلی پورٹیشن دو فریقوں کے درمیان کوانٹم معلومات کی ترسیل کا طریقہ بھی ہے، جیسے کہ فوٹون، ایٹم، الیکٹران، اور سپر کنڈکٹنگ سرکٹس۔ تحقیق کے مطابق، ٹیلی پورٹیشن QCs کو متوازی طور پر چلنے کی اجازت دیتا ہے جبکہ کم بجلی استعمال کرنے سے بجلی کا استعمال 100 سے 1000 گنا کم ہو جاتا ہے۔
کوانٹم ٹیلی پورٹیشن اور کوانٹم کرپٹوگرافی کے درمیان فرق مندرجہ ذیل ہے:
- کوانٹم ٹیلی پورٹیشن کا تبادلہ کلاسیکی چینل پر، "کوانٹم" معلومات بھیجی جاتی ہے۔
- کوانٹم کرپٹوگرافی کا تبادلہ ایک کوانٹم چینل پر، "کلاسیکی" معلومات بھیجی جاتی ہے۔
کوانٹم کمپیوٹرز کی بجلی کی ضروریات حرارت پیدا کرتی ہیں، جو کہ ایک چیلنج ہے کہ انہیں اتنے کم درجہ حرارت پر کام کرنا چاہیے۔ ٹیلی پورٹیشن میں ڈیزائن کے حل کی قیادت کرنے کی صلاحیت ہے جو کوانٹم کمپیوٹنگ کی ترقی کو تیز کرے گی۔
3. حیاتیاتی نظام
انسانی جسم، تمام مخلوقات کی طرح، لاکھوں کیمیائی اور حیاتیاتی عمل کے تعامل کی وجہ سے مسلسل بدلتا رہتا ہے۔ کچھ عرصہ پہلے تک، انہیں لکیری سمجھا جاتا تھا، جس میں "A" سے "B" ہوتا ہے۔ تاہم، کوانٹم بیالوجی اور بائیو فزکس نے حیاتیاتی نظاموں کے اندر بہت زیادہ ہم آہنگی کا انکشاف کیا ہے، جس میں QE ایک کردار ادا کر رہا ہے۔
جس طرح کے متنوع ذیلی یونٹس پروٹین کے ڈھانچے پائیدار کوانٹم الجھن اور ہم آہنگی کی اجازت دینے کے لیے تیار کیا گیا ہے۔ کوانٹم بیالوجی اب بھی ایک نظریاتی موضوع ہے جس میں مختلف سوالات کے جواب نہیں دیئے گئے ہیں۔ جب ان پر توجہ دی جائے گی، طب میں درخواستیں تیزی سے نظر آئیں گی۔
کوانٹم کمپیوٹنگ، تھیوری میں، کلاسیکی کمپیوٹرز کے مقابلے میں فطرت (ایٹمک بانڈنگ کی نقل کرکے) اور کوانٹم بائیولوجیکل سسٹمز سے بہتر مشابہت رکھتی ہے۔
4. سپر ڈینس کوڈنگ
سپر ڈینس کوڈنگ ایک واحد الجھے ہوئے کوئبٹ کا استعمال کرتے ہوئے معلومات کے دو روایتی بٹس کو منتقل کرنے کا طریقہ ہے۔ کوڈ جو انتہائی گھنا ہے یہ کر سکتا ہے:
- صارف کو وقت سے پہلے کلاسیکی پیغام کی تشکیل نو کے لیے جو کچھ درکار ہے اس کا نصف بھیجنے کی اجازت دیتا ہے، اور صارف کو اس وقت تک دوگنی رفتار سے بات چیت کرنے کی اجازت دیتا ہے جب تک کہ پہلے سے ڈیلیور کیے گئے qubits ختم نہ ہو جائیں۔
- ایک سمت میں دو طرفہ کوانٹم چینل کی صلاحیت دوگنی ہو جاتی ہے۔
- کم لیٹنسی چینل پر آنے والے ڈیٹا کو سپورٹ کرنے کے لیے ہائی لیٹینسی چینل پر آدھے ڈیٹا کو ٹرانسمٹ کر کے ہائی لیٹینسی بینڈوتھ کو کم لیٹینسی بینڈوتھ میں تبدیل کریں۔
مواصلات کی ہر نسل نے مزید ڈیٹا کی منتقلی کا مطالبہ کیا ہے۔ سپر ڈینس کوڈنگ کے ساتھ معلومات میں موازنہ حاصل کرنا ممکن ہوگا۔
نتیجہ
کوانٹم الجھن ہمیں ڈیٹا کے ساتھ پہلے ناقابل تصور طریقوں سے کام کرنے کی اجازت دے سکتی ہے۔ کوانٹم کمپیوٹنگ کو الجھا کر ہم ان مسائل کا جواب دینے کے قابل ہو جائیں گے جو زیادہ موثر اور محفوظ طریقے سے ڈیٹا کی بڑی مقدار کا مطالبہ کرتے ہیں۔
حیاتیاتی اور فلکیاتی ایپلی کیشنز کے اضافے کے ساتھ، QE کو ان مسائل کا جواب دینے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے جن پر انسان طویل عرصے سے غور و فکر کر رہے ہیں: ہم کہاں سے آئے اور یہ سب کیسے شروع ہوا؟
جتنی زیادہ ٹیکنالوجی ترقی کرے گی، ہم اس کے لیے اتنی ہی زیادہ ایپلی کیشنز تلاش کریں گے- اس کا زبردست وعدہ ہے!
جواب دیجئے