کوانٹم کنکشن کس طرح تشکیل دیتے ہیں جو کوانٹم کمپیوٹر اصل میں حساب کر سکتے ہیں۔

فرض کریں کہ ایک کوانٹم پروگرام کو qubits کے درمیان دو کوئبٹ آپریشن لاگو کرنے کی ضرورت ہے۔ 0 اور 50.

ایک پروگرامر کے نقطہ نظر سے، یہ آسان لگتا ہے.

دو کوبٹس ہیں۔ میرے پاس ایک گیٹ ہے جو دو کوبٹس پر چلتا ہے۔ تو ایک کوانٹم کمپیوٹر کو ایسا کیوں نہیں کرنا چاہئے؟

اس کی وجہ یہ ہے کہ ایک حقیقی کوانٹم پروسیسر میں، ضروری نہیں کہ ایک qubit ہر دوسرے qubit سے جڑا ہو۔

کوانٹم پروسیسر قابل تبادلہ کوئبٹس کا ایک بیگ نہیں ہے جہاں ہر کوئبٹ فوری طور پر ہر دوسرے کوبٹ کے ساتھ تعامل کرسکتا ہے۔ ان کیوبٹس کی جسمانی ترتیب اہم ہے۔ ایسا ہی کپلرز، کنٹرول الیکٹرانکس، گیٹ سیٹ، خرابی کی شرح، اور ان کے درمیان مواصلاتی راستوں کے لیے ہے۔

یہ ایک کوانٹم کمپیوٹر کے درمیان ایک اہم فرق پیدا کرتا ہے جسے آپ پروگرام کرتے ہیں اور ایک کوانٹم کمپیوٹر جو اصل میں پروگرام چلاتا ہے۔

یہ مضمون ڈویلپرز، طلباء اور کوانٹم کمپیوٹنگ کے شوقین افراد کے لیے ہے جو کوانٹم سرکٹس کی بنیادی باتوں کو سمجھتے ہیں لیکن یہ جاننا چاہتے ہیں کہ جب وہ سرکٹس حقیقی کوانٹم ہارڈویئر سے ملتے ہیں تو کیا ہوتا ہے۔ آپ یہ سیکھیں گے کہ کس طرح فزیکل کوبٹ کنیکٹیویٹی سرکٹ کے عمل کو متاثر کرتی ہے، مرتب کرنے والے بعض اوقات SWAP گیٹس کیوں داخل کرتے ہیں، کس طرح روٹنگ سرکٹ کی گہرائی اور خرابیوں کو بڑھاتی ہے، اور IBM’s Heron، Nighthawk، اور ZuriQ کے ری کنفیگر ایبل ٹریپ آئن سسٹم کنیکٹیویٹی کے مسائل کو کیسے مختلف طریقے سے دیکھتے ہیں۔

انڈیکس

منطقی qubits سے جسمانی qubits تک

سرکٹ منطقی qubits کے درمیان تعاملات کو بیان کر سکتا ہے، جیسے:

q0 ─────●────
│
q1 ─────┼────
│
q2─────-┼────
│
q3────-─x────

تاہم، فزیکل کوانٹم پروسیسرز صرف ملحقہ کوبٹس کو براہ راست بات چیت کرنے کی اجازت دے سکتے ہیں۔

اگر الگورتھم کے لیے درکار دو کوبٹس جسمانی طور پر منسلک نہیں ہیں، تو کمپائلر کو تعامل کو انجام دینے کے لیے کوئی اور طریقہ تلاش کرنا چاہیے۔

اس کا عام طور پر مطلب ہے کہ منطقی qubits کو فزیکل qubits سے نقشہ بنانا، ہارڈ ویئر کنکشن کا احترام کرنے کے لیے روٹنگ آپریشنز، اور بعض اوقات اضافی qubits داخل کرنا۔ SWAP ایک گیٹ جو کوانٹم معلومات کو منتقل کرتا ہے۔ آئی بی ایم کوانٹم نے اپنے ٹرانسپلر سٹیپ گائیڈ میں ان اقدامات کی وضاحت کی ہے۔

یہ اضافی کارروائیاں اس الگورتھم کا حصہ نہیں ہیں جو آپ نے اصل میں لکھا ہے۔ یہ ایک اوور ہیڈ ہے جو کوانٹم کمپیوٹرز کے فزیکل فن تعمیر سے بنایا گیا ہے۔

یہی وجہ ہے کہ کوانٹم کنیکٹیویٹی ہارڈ ویئر کی خصوصیات سے زیادہ ہے۔

یہ متاثر کر سکتا ہے:

• کوانٹم سرکٹس کیسے مرتب کیے جاتے ہیں۔

• فائنل سرکٹ میں شامل گیٹس کی تعداد

• سرکٹ کتنی گہرائی میں جاتا ہے؟

• حساب میں کتنا شور مچتا ہے۔

• کون سے الگورتھم عملی ہیں؟

• آخر کار، ہارڈ ویئر کون سے مفید حسابات انجام دے سکتا ہے؟

IBM کوانٹم کا حالیہ ہارڈویئر روڈ میپ اس مسئلے کی ایک مفید مثال فراہم کرتا ہے۔ IBM کا ہیرون پروسیسر بھاری مسدس ٹوپولوجی کا استعمال کرتا ہے، جبکہ جدید ترین Nighthawk پروسیسر ایک مربع جالی کی طرف جاتا ہے جہاں ہر کوئبٹ چار پڑوسیوں سے جڑ سکتا ہے۔ IBM روٹنگ اوور ہیڈ کو کم کرنے اور مزید پیچیدہ سرکٹس کو سپورٹ کرنے کے طریقے کے طور پر بڑھتی ہوئی کنیکٹیویٹی کو واضح طور پر بیان کرتا ہے۔

اس مسئلے تک پہنچنے کا دوسرا طریقہ ZuriQ کا استعمال کرنا ہے۔ وہ ایک پھنسے ہوئے آئن فن تعمیر کو تیار کر رہے ہیں جو ٹریپ الیکٹروڈ پر لاگو وولٹیج کو متحرک طور پر تبدیل کرکے آئنوں کو دوبارہ ترتیب اور منتقل کر سکتا ہے۔ کمپنی کا فن تعمیر آئن ٹریپس کی تین جہتی ری کنفیگریشن کو بیان کرتا ہے، جس سے آئنوں کو ضرورت کے مطابق چپ پر منتقل ہونے کی اجازت ملتی ہے۔

اس سے ایک دلچسپ سوال پیدا ہوتا ہے۔ کوانٹم پروگرام کا کیا ہوتا ہے جب اسے جن کیوبٹس کے ساتھ تعامل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے وہ جسمانی طور پر جڑے نہیں ہوتے؟

اس کا جواب دینے کے لیے، ہمیں پہلے یہ سمجھنا ہوگا کہ "کنیکٹیویٹی” کا اصل مطلب کیا ہے۔

کوانٹم کنیکٹوٹی کا کیا مطلب ہے؟

کوانٹم کمپیوٹرز میں، کنیکٹیویٹی فزیکل qubits کے جوڑوں کو بیان کرتی ہے جو براہ راست دو-qubit آپریشنز میں حصہ لے سکتے ہیں۔

آپ پروسیسر کو گراف کے طور پر سوچ سکتے ہیں۔ ہر کوئبٹ ایک نوڈ ہے، اور ہر دو کوئبٹ تعامل کی اجازت ایک کنارے ہے۔

مثال کے طور پر، فرض کریں کہ پانچ جسمانی qubits ہیں۔

q0 ─── q1 ─── q2
│
q3 ─── q4

یہ گراف ہمیں بتاتا ہے کہ یہ qubits براہ راست جڑے ہوئے ہیں۔

q0 <-> q1
q1 <-> q2
q0 <-> q3
q3 <-> q4

یہاں تک کہ اگر یہ ہے q0 اور q4 صرف اس لیے کہ آپ براہ راست منسلک نہیں ہیں اس کا مطلب یہ نہیں ہے کہ آپ تعامل نہیں کر سکتے۔ اس کا مطلب ہے کہ مرتب کرنے والا ضروری طور پر دو کوبٹ آپریشنز کو براہ راست لاگو نہیں کر سکتا۔

کوانٹم معلومات کو کنفیگریشنز میں لانے کے لیے حکمت عملیوں کی ضرورت ہے جو مطلوبہ کارروائیوں کو جسمانی طور پر ممکن بناتی ہیں۔

IBM کی Qiskit دستاویزات اس ہارڈ ویئر کی تفصیل فراہم کرتی ہیں: جوڑے کا نقشہ. جوڑے کا نقشہ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ کون سے فزیکل کوبٹس دو کوبٹ گیٹ کو سپورٹ کرتے ہیں۔ کوانٹم سرکٹس، دوسری طرف، منطقی یا مجازی qubits کے ساتھ شروع کرتے ہیں جو جسمانی qubits کے ساتھ نقشہ ہونا ضروری ہے.

کوانٹم پروگرامنگ سیکھتے وقت یہ فرق چھوڑنا آسان ہے۔

آپ یہ بھی لکھ سکتے ہیں:

qc.cx(0, 4)

غور کریں کہ آپ نے ابھی qubits کے درمیان CNOT کا اطلاق کیا ہے۔ 0 اور 4.

خلاصہ سرکٹ کی سطح پر، یہ سچ ہے۔ لیکن ہارڈ ویئر کی سطح پر اصل پروسیسر کو کہا جا سکتا ہے:

Qubit 0 اور فزیکل qubit 4 یہ براہ راست نہیں کر سکتے ہیں۔

اب کمپائلر کو حل کرنے کے لئے ایک مسئلہ ہے۔

حقیقی زندگی کی مشابہت: سڑکیں اور شہر

سڑک کے نیٹ ورک کے بارے میں سوچو۔

فرض کریں کہ آپ شہر A سے شہر D تک گاڑی چلا رہے ہیں۔

اگر ان کے درمیان سیدھی شاہراہ ہو تو سفر آسان ہے۔

A ───────── D

لیکن تصور کریں کہ سڑک کا نیٹ ورک اس طرح لگتا ہے:

A ─ B ─ C ─ D

آپ اب بھی D تک پہنچ سکتے ہیں۔ بس B اور C سے گزریں۔

کوانٹم روٹنگ اسی طرح کام کرتی ہے۔

فرق یہ ہے کہ کوانٹم معلومات کو منتقل کرنا مہنگا ہے۔

روایتی کمپیوٹرز معلومات کو میموری میں کاپی کر سکتے ہیں اور اسے مقامات کے درمیان منتقل کر سکتے ہیں، اور عام طور پر بہت زیادہ مواصلات کو برداشت کر سکتے ہیں۔

کوانٹم معلومات بہت زیادہ نازک ہے۔

کوانٹم پروسیسرز کو اس معلومات کو منتقل کرنے کے لیے درکار اضافی کارروائیاں کرتے ہوئے کوانٹم حالت کو محفوظ رکھنا چاہیے۔

یہ وہیں ہے۔ SWAP گیٹ کہانی میں داخل ہوتا ہے۔

کیا ہوتا ہے اگر دو کوبٹس متصل نہ ہوں؟

فرض کریں کہ الگورتھم کو منطقی qubits کے درمیان دو کوئبٹ گیٹ کی ضرورت ہے۔ q0 اور q3.

آپ کا ہارڈ ویئر ہے:

q0 ─── q1 ─── q2 ─── q3

qubits کو ایک قطار میں ترتیب دیا گیا ہے۔

ان کے درمیان کوئی براہ راست کنارہ نہیں ہے۔ q0 اور q3.

آپ صرف ہارڈ ویئر سے کچھ چلانے کے لیے نہیں کہہ سکتے۔

qc.cx(0, 3)

ہم توقع کرتے ہیں کہ جسمانی آلات براہ راست بات چیت کرنے کے قابل ہوں گے۔

اس کے بجائے، مرتب کنندہ کوانٹم ریاستوں کو منتقل کر سکتا ہے۔

مثال کے طور پر:

Initial:

q0 ─── q1 ─── q2 ─── q3
 A     B      C      D

آئیے فرض کریں کہ ہم چاہتے ہیں۔ A بات چیت D.

کمپائلر تبدیلیوں کا ایک سلسلہ انجام دے سکتا ہے۔

q0 ─── q1 ─── q2 ─── q3
 A     B      C      D

         SWAP
          ↓

q0 ─── q1 ─── q2 ─── q3
 B     A      C      D

         SWAP
          ↓

q0 ─── q1 ─── q2 ─── q3
 B     C      A      D

اب A اور D یہ ملحقہ ہے۔

مطلوبہ دو کوبٹ آپریشنز آخر کار انجام پا سکتے ہیں۔

مسئلہ یہ ہے۔ SWAP آپریشن بذات خود ایک کوانٹم گیٹ ہے۔ اس میں وقت لگتا ہے اور غلطیاں پیدا ہو سکتی ہیں۔ سرکٹ کی گہرائی بھی بڑھ جاتی ہے۔

IBM کی Qiskit دستاویزات روٹنگ کے اس انداز کو واضح طور پر بیان کرتی ہیں۔

ایک ٹرانسپلر سرکٹ کے لیے درکار دو کیوبٹس کو داخل کر سکتا ہے اگر وہ براہ راست ہدف کے آلے سے منسلک نہ ہوں۔ SWAP ایک گیٹ جو کوانٹم معلومات کو اس وقت تک منتقل کرتا ہے جب تک کہ مطلوبہ qubit متصل نہ ہو۔

SWAP گیٹس مہنگے کیوں ہیں؟

کوئی راستہ نہیں SWAP گیٹ دو کوئبٹس کی کوانٹم حالتوں کا تبادلہ کرتا ہے۔

ریاضیاتی طور پر اس کی وضاحت اس طرح کی جا سکتی ہے:

|a⟩|b⟩ -> |b⟩|a⟩

تاہم، بہت سے کوانٹم پروسیسرز اس پر عمل درآمد نہیں کرتے ہیں۔ SWAP ایک بنیادی کام کے ساتھ۔

اس کے بجائے، اسے تین CNOT آپریشنز میں تحلیل کیا جا سکتا ہے:

SWAP(a, b) = CX(a, b)
             CX(b, a)
             CX(a, b)

Qiskit بے ترکیبی کا مظاہرہ کر سکتا ہے:

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(2)

qc.swap(0, 1)

print(qc)

یہ کوڈ دو کوئبٹ سرکٹ بناتا ہے اور SWAP qubits 0 اور 1 کی کوانٹم حالتوں کے تبادلے کے لیے ایک گیٹ۔ Qiskit اسے ایک چیز کے طور پر ظاہر کرتا ہے، لیکن swap(0, 1) کام

تصوراتی طور پر، یہ نمائندگی کرتا ہے:

q0: ──X──●──X──
         │
q1: ──●──X──●──

خاکہ ظاہر کرتا ہے کہ SWAP کو تین CNOT آپریشنز کا استعمال کرتے ہوئے لاگو کیا جا سکتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ qubits کے درمیان کوانٹم معلومات کو منتقل کرنے کے لیے متعدد فزیکل گیٹس کی ضرورت پڑ سکتی ہے۔

اہم بات یہ ہے کہ کوانٹم پروسیسرز کے ذریعے qubits کو روٹ کرنے سے اضافی کام شامل ہوتا ہے، سرکٹ کی گہرائی اور غلطی کی صلاحیت میں اضافہ ہوتا ہے۔

IBM کی دستاویزات میں کہا گیا ہے کہ داخل کردہ SWAP گیٹس ایک مہنگا اور شور والا آپریشن ہے، جو اہم غلطیوں کا باعث بن سکتا ہے۔

سرکٹ کی گہرائی: ناقص رابطوں کی پوشیدہ قیمت

گیٹ گنتی مسئلہ کا صرف ایک حصہ ہے۔ ایک اور اہم اشارے ہے۔ سرکٹ کی گہرائی.

سرکٹ کی گہرائی تقریباً کام کی ترتیب وار تہوں کی تعداد ہے جس پر عمل کرنا ضروری ہے۔

درج ذیل دو سرکٹس پر غور کریں:

Circuit A:

q0 ──H────●────────
          │
q1 ───────X────────

اور:

Circuit B:

q0 ──H──SWAP──SWAP──●────
                    │
q1 ─────────────────X────

سرکٹ B اضافی آپریشنز پر مشتمل ہے۔

زیادہ اہم بات یہ ہے کہ مطلوبہ تعامل ہونے سے پہلے ان میں سے کچھ اعمال کا ہونا ضروری ہے۔

اس سے کوانٹم ریاست کے زندہ رہنے کے وقت میں اضافہ ہوتا ہے۔

یہ ضروری ہے کیونکہ جسمانی qubits شور ہوتے ہیں۔

حساب جتنا لمبا اور گہرا ہوگا، غلطیوں کے جمع ہونے کا امکان اتنا ہی زیادہ ہوگا۔

آئی بی ایم کی حالیہ تحقیق کنیکٹیویٹی، روٹنگ، سرکٹ ڈیپتھ، اور کارآمد کمپیوٹیشن کے درمیان تعلق کو ظاہر کرتی ہے۔ مئی 2026 میں، IBM نے ایک ہیرون پروسیسر پر چلنے والے 52-کوبٹ کوانٹم فوئیر ٹرانسفارم کی اطلاع دی جو ایک برابری پر مبنی سرکٹ کنفیگریشن کا استعمال کرتی ہے جو واضح SWAP پر مبنی روٹنگ سے گریز کرتی ہے۔ IBM نے روٹنگ اوور ہیڈ، سرکٹ کی گہرائی، اور جمع ہونے والے شور کو QFT سرکٹس کو اسکیل کرنے کے لیے کلیدی چیلنجوں کے طور پر اجاگر کیا۔

یہ مثال ایک اہم نکتہ کو واضح کرتی ہے۔

اگر آپ کا ہارڈویئر آسانی سے آپ کا الگورتھم نہیں چلا سکتا، تو آپ کے پاس دو انتخاب ہیں: اپنے الگورتھم کو فٹ کرنے کے لیے qubits کو منتقل کریں یا اپنے ہارڈ ویئر کو فٹ کرنے کے لیے اپنے الگورتھم کو دوبارہ ڈیزائن کریں۔

دوسرا آپشن بہت زیادہ موثر ہو سکتا ہے کیونکہ یہ اوور ہیڈ روٹنگ کی بڑی مقدار کو ختم کرتا ہے۔

IBM Heron: طاقتور ابھی تک ساختی ٹوپولوجی کی اصلاح

آئی بی ایم کا ہیرون فیملی شروع کرنے کے لیے ایک مفید جگہ ہے کیونکہ یہ آئی بی ایم کے سپر کنڈکٹنگ کوانٹم ہارڈ ویئر کی ترقی میں ایک اہم قدم کی نمائندگی کرتا ہے۔

موجودہ IBM دستاویزات میں ہیرون پروسیسر کو 133 یا 156 قابل پروگرام کیوبٹس اور ٹیون ایبل کپلر کے ساتھ درج کیا گیا ہے۔ IBM ہیرون کو اپنے سسٹم ٹو فن تعمیر کے بنیادی حصے کے طور پر بیان کرتا ہے۔

ہیرون ایک بھاری ہیکساڈیسیمل ٹوپولوجی استعمال کرتا ہے۔ آسان بیان یہ ہے:

      q1────q2
     /        \
   q0          q3
     \        /
      q4────q5

عین جسمانی ترتیب زیادہ پیچیدہ ہے، لیکن اہم خیال ہے۔ ہر qubit براہ راست ہر دوسرے qubit سے منسلک نہیں ہوتا ہے۔.

یہ ٹوپولوجی جان بوجھ کر ہے۔

کوانٹم ہارڈویئر ڈیزائنرز متعدد مسابقتی ضروریات کو متوازن کر رہے ہیں۔

• qubit کثافت

• پیچیدگی کنٹرول

• crosstalk

• پیداوار کی پابندیاں

• دروازے کی وفاداری

• وائرنگ

• کنیکٹوٹی

رابطے میں اضافہ مفت نہیں ہے۔ مزید فزیکل کپلرز کو شامل کرنا پروسیسر کی تعیناتی اور کنٹرول کو زیادہ پیچیدہ بنا سکتا ہے۔

لہذا، ہارڈویئر ڈیزائنرز کو مفید سمجھوتہ تلاش کرنا چاہیے۔

ہیرون کا بھاری ہیکساڈیسیمل فن تعمیر ایک ایسا ہی سمجھوتہ ہے۔

IBM کے 2024 کے اعلان میں ہیرون R2 کو ایک 156-کوبٹ پروسیسر کے طور پر ایک بھاری ہیکساڈیسیمل لے آؤٹ اور ایک ٹیون ایبل کپلر کے طور پر بیان کیا گیا ہے جو کراسسٹالک کو دبانے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔

یہ پروگرامرز کے لیے ایک دلچسپ صورتحال پیدا کرتا ہے۔ ایک پروسیسر میں 100 سے زیادہ کیوبٹس ہوسکتے ہیں، لیکن پروگرامر پھر بھی ان کیوبٹس کے ساتھ ایسا سلوک نہیں کرسکتے جیسے وہ مکمل طور پر جڑے ہوئے نیٹ ورک کی تشکیل کرتے ہوں۔

ٹوپولوجی پروگرامنگ ماحول کا حصہ بن جاتی ہے۔

نائٹ ہاک کنکشن کی مساوات کو تبدیل کرتا ہے۔

آئی بی ایم کا نائٹ ہاک ایک مختلف طریقہ اختیار کرتا ہے۔

اسی بھاری مسدس ٹوپولوجی کا استعمال جاری رکھنے کے بجائے، نائٹ ہاک استعمال کرتا ہے: مربع گرڈ.

IBM وضاحت کرتا ہے کہ Nighthawk کے پاس اس وقت 120 قابل پروگرام کوئبٹس ہیں، جن میں سے ہر ایک کوبٹ چار پڑوسی کوئبٹس سے منسلک ہے۔

ایک آسان مربع گرڈ اس طرح نظر آئے گا:

q0 ─── q1 ─── q2
│      │      │
q3 ─── q4 ─── q5
│      │      │
q6 ─── q7 ─── q8

فرق چھوٹا لگ سکتا ہے۔

qubits کو کم پڑوسیوں سے جوڑنے کے بجائے، ہم انہیں چار تک دیتے ہیں۔

لیکن کوانٹم سرکٹس کے لیے، یہ ایک اہم فرق کر سکتا ہے۔

تصور کریں کہ آپ کے الگورتھم کو درج ذیل تعامل کی ضرورت ہے:

q0 <-> q1
q1 <-> q4
q4 <-> q7
q7 <-> q8

ایک مربع گرڈ قدرتی طور پر ان مقامی تعاملات کو ایڈجسٹ کر سکتا ہے۔

اب تصور کریں کہ آپ کے الگورتھم کی ضرورت ہے:

q0 <-> q8

وہ qubits اب بھی براہ راست منسلک نہیں ہیں.

لہذا، نائٹ ہاک روٹنگ کو ختم نہیں کرتا ہے۔ بلکہ، یہ بہت سی لائنوں کے لیے درکار روٹنگ کی مقدار کو کم کر دیتا ہے۔

IBM کا کہنا ہے کہ مربع ٹوپولوجی بھاری ہیکساڈیسیمل آرکیٹیکچرز سے زیادہ کنیکٹیویٹی فراہم کرتی ہے اور کم SWAP گیٹس والے سرکٹس کو قابل بناتی ہے۔ IBM کی 2025 ڈویلپر کانفرنس کی پریزنٹیشن نے نائٹ ہاک کے 218 کپلرز کا موازنہ ہیرون کے 176 کپلرز سے کیا اور کہا کہ بہتر کنیکٹیویٹی ڈویلپرز کو سرکٹس ڈیزائن کرنے کی اجازت دیتی ہے جو کم SWAP گیٹس کے ساتھ تقریباً 30 فیصد زیادہ پیچیدہ ہیں۔

IBM کا 2026 کا روڈ میپ مزید آگے بڑھتا ہے، جس میں Nighthawk کو بڑی سرکٹ کی صلاحیتوں اور متعدد 120-qubit ماڈیولز کے منصوبوں کے ساتھ کوانٹم فوائد کو بڑھانے کے پلیٹ فارم کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔

یہ ایک گہرا سبق ہے۔ qubits کی تعداد میں اضافہ کوانٹم پروسیسرز کی کارکردگی کو بڑھانے کا صرف ایک طریقہ ہے۔ مفید رابطے میں اضافہ بھی اتنا ہی اہم ہوسکتا ہے۔

مرتب کرنے والے ہارڈ ویئر کی کہانی کا حصہ بن جاتے ہیں۔

یہ وہ جگہ ہے جہاں کوانٹم کمپیوٹنگ سافٹ ویئر ڈویلپرز کے لیے خاص طور پر دلچسپ ہے۔

کلاسک پروگرامنگ اکثر آپ کو سی پی یو کے ٹرانزسٹروں کے درست جسمانی انتظام کو جانے بغیر کوڈ لکھنے کی اجازت دیتی ہے۔

کوانٹم پروگرامنگ مختلف ہے۔ مرتب کرنے والے کو ہدف پروسیسر کے بارے میں معلومات جاننے کی ضرورت ہے۔

مثال کے طور پر:

Logical circuit
      ↓
Which physical qubits?
      ↓
Which qubits can interact?
      ↓
Which gates does the processor support?
      ↓
How noisy are those operations?
      ↓
How should the circuit be routed?
      ↓
What physical instructions should be executed?

IBM کی Qiskit دستاویزات واضح طور پر تبادلوں کے اہداف کی وضاحت کرتی ہیں، بشمول QPU کا جوڑنے کا نقشہ، معاون ڈیفالٹ گیٹس، اور غلطی کی شرح۔

اس کا مطلب یہ ہے کہ کوانٹم کمپائلر صرف ایک پروگرامنگ زبان کا دوسری میں ترجمہ نہیں کرتے ہیں۔ اسے حل کیا جا رہا ہے ہارڈ ویئر سے محدود اصلاح کا مسئلہ.

مرتب کرنے والے کو سوالات کا جواب دینا چاہیے جیسے:

• کون سا جسمانی qubit منطقی qubit کی نمائندگی کرتا ہے؟

• کون سی میپنگ روٹنگ کو کم کرتی ہے؟

• کون سے دستیاب کیوبٹ میں بہتر انشانکن ہے؟

• مجھے SWAP ٹاسک کہاں داخل کرنا چاہیے؟

• کیا میں 2-کوبٹ آپریشنز کو کم کرنے کے لیے سرکٹ کو دوبارہ لکھ سکتا ہوں؟

• کیا ایک مختلف ترتیب روٹنگ کو مکمل طور پر ختم کر سکتی ہے؟

یہی وجہ ہے کہ تالیف کا براہ راست اثر کوانٹم کمپیوٹیشن کے معیار پر پڑ سکتا ہے۔

نقشہ سازی: صحیح جگہوں پر صحیح qubits ڈالنا

فرض کریں کہ آپ کا الگورتھم اکثر استعمال کرتا ہے:

q0 <-> q1
q0 <-> q2
q0 <-> q3

ہم چاہتے ہیں کہ یہ منطقی qubits جسمانی طور پر ایک دوسرے کے قریب ہوں۔

اگر مرتب کرنے والا اسے ہارڈ ویئر کے مقام پر اس طرح نقش کرتا ہے:

q0 -> physical 0
q1 -> physical 1
q2 -> physical 2
q3 -> physical 3

ایک سرکٹ کو بہت کم روٹنگ کی ضرورت ہو سکتی ہے۔

لیکن تصور کریں کہ کیا مرتب کرنے والا انتخاب کرتا ہے:

q0 → physical 0
q1 → physical 25
q2 → physical 70
q3 → physical 110

اب، ہر تعامل کو اہم روٹنگ کی ضرورت ہو سکتی ہے۔

الگورتھم تبدیل نہیں ہوا ہے۔ منطقی qubits کی تعداد میں کوئی تبدیلی نہیں آئی ہے۔ تاہم، جسمانی پھانسی بہت مختلف ہوسکتی ہے.

لہذا، Qiskit ایک ترتیب تلاش کرنے کی کوشش کرتا ہے جو ضروری روٹنگ کی مقدار کو کم کرتا ہے۔ دستاویزات میں کہا گیا ہے کہ بہترین SWAP میپنگ کو تلاش کرنا کمپیوٹیشنل طور پر مشکل ہے، اس لیے Qiskit مندرجہ ذیل ہورسٹک اپروچ استعمال کرتا ہے: SabreSwap آپ تمام امکانات کو مکمل طور پر تلاش کیے بغیر اچھی نقشہ جات تلاش کر سکتے ہیں۔

حیرت انگیز حصہ: الگورتھم کو ہارڈ ویئر کے ارد گرد دوبارہ ڈیزائن کیا جا سکتا ہے۔

ایک اور حکمت عملی ہے۔

اس ٹوپولوجی پر الگورتھم کو کیسے لاگو کرنا ہے یہ پوچھنے کے بجائے، آپ پوچھ سکتے ہیں:

کیا الگورتھم کو اس شکل میں بیان کرنا ممکن ہے جو قدرتی طور پر اس ٹوپولوجی کے مطابق ہو؟

آئی بی ایم کا ایک حالیہ مطالعہ ایک اچھی مثال پیش کرتا ہے۔

کوانٹم فوئیر ٹرانسفارمز کوانٹم الگورتھم کا ایک اہم جزو ہیں، لیکن جیسے جیسے کوئبٹس کی تعداد میں اضافہ ہوتا ہے، ان کا تعامل روٹنگ کی ضروریات کو چیلنج بنا سکتا ہے۔

مئی 2026 میں، محققین نے برابری پر مبنی سرکٹ کنفیگریشن کا استعمال کرتے ہوئے IBM Heron پروسیسر پر 52-quibit QFT کا مظاہرہ کیا۔ IBM کے مطابق، یہ نقطہ نظر کوانٹم معلومات کی نمائندگی اور تشہیر کے طریقے کو تبدیل کرتا ہے، واضح SWAP پر مبنی روٹنگ کو ختم کرتا ہے۔

یہ ایک طاقتور خیال ہے۔

محدود رابطوں کو سنبھالنے کے کم از کم تین طریقے ہیں:

1. کمپائلر میں بہتری -> بہتر میپنگ/روٹنگ

2. ہارڈ ویئر میں بہتری -> زیادہ جسمانی رابطے

3. الگورتھم میں بہتری -> لمبی دوری کے تعاملات کی ضرورت میں کمی

کوانٹم کمپیوٹنگ کے مستقبل میں ممکنہ طور پر تینوں شامل ہوں گے۔

کیوں IBM قریبی پڑوسی کنکشن سے باہر جاتا ہے؟

نائٹ ہاک کا مربع گرڈ IBM کی کنیکٹوٹی حکمت عملی کا خاتمہ نہیں ہے۔ وہ قریبی پڑوس سے باہر کنیکٹوٹی فراہم کرنے کے لیے ٹیکنالوجی پر بھی کام کر رہے ہیں۔

مثال کے طور پر، IBM کا روڈ میپ بیان کرتا ہے: سی کپلر کیوبٹس کو چپ سے مزید دور جوڑا جا سکتا ہے۔ آئی بی ایم نے کہا کہ اس کے لون پروسیسر نے رابطے کی چھ سطحوں تک کا مظاہرہ کیا ہے، ایک صلاحیت جو جزوی طور پر کوانٹم ایرر تصحیح فن تعمیر کے تقاضوں سے طے ہوتی ہے۔

آئی بی ایم بھی اسے تیار کر رہا ہے۔ ایل جوڑے علیحدہ کوانٹم ماڈیولز کے درمیان مواصلت کے لیے۔

یہ اہم ہے کیونکہ کوانٹم کمپیوٹرز کو بڑھانا بالآخر ایک نظامی مسئلہ بن جاتا ہے۔

ایک وشال کوانٹم چپ کے بارے میں سوچنے کے بجائے، آپ اس کے بارے میں اس طرح سوچ سکتے ہیں:

QPU ─── QPU ─── QPU
 │       │       │
 └───────┴───────┘
   communication

IBM طویل مدتی فن تعمیر کو ماڈیولر کے طور پر بیان کرتا ہے، جس میں چپس، ماڈیولز اور ایل کپلر ہوتے ہیں تاکہ پورے نظام میں کوانٹم کمیونیکیشن کو فعال کیا جا سکے۔

IBM کا روڈ میپ ایک سے زیادہ Nighthawk ماڈیولز کو جوڑنے کے منصوبے کا خاکہ پیش کرتا ہے، جس میں 2026 کے روڈ میپ کو تین 120-کوبٹ ماڈیولز تک کی ترتیب کو نشانہ بنایا جاتا ہے۔

اس سے سوال بدل جاتا ہے۔

ہم اب صرف یہ نہیں پوچھتے ہیں: اس چپ سے کون سے کوئبٹس جڑے ہوئے ہیں؟ ہم نے یہ پوچھ کر شروع کیا: کوانٹم معلومات کو پروسیسرز کے درمیان کیسے منتقل ہونا چاہئے؟

یہ ایک بہت بڑا آرکیٹیکچرل مسئلہ ہے۔

ایک اور نقطہ نظر: ری کنفیگر ایبل آئن ٹریپ کوانٹم کمپیوٹر

آئی بی ایم کے ہیرون اور نائٹ ہاک جیسے سپر کنڈکٹنگ پروسیسرز توسیع پذیر کوانٹم کمپیوٹر بنانے کا واحد طریقہ نہیں ہیں۔

ایک اور طریقہ ہے۔ پھنسے ہوئے آئنوں.

چپ پر سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس بنانے کے بجائے، ٹریپ آئن سسٹم برقی مقناطیسی جال میں رکھے انفرادی آئنوں کا استعمال کرتے ہیں۔

اہم فرق یہ ہے کہ آئنوں کی جسمانی ترتیب ممکنہ طور پر تبدیل ہو سکتی ہے۔

ZuriQ دوبارہ ترتیب دینے کے قابل آئن ٹریپس پر مبنی ٹریپ آئن فن تعمیر تیار کر رہا ہے۔

ZuriQ کے مطابق، وقت کے ساتھ الیکٹروڈ وولٹیج کو تبدیل کرنے سے ٹریپ اری کو تین جہتوں میں دوبارہ ترتیب دیا جاتا ہے، جس سے آئنوں کو دوبارہ ترتیب دینے اور ضرورت پڑنے پر پوری چپ میں حرکت کرنے کی اجازت ملتی ہے۔

یہ رابطے کے بارے میں سوچنے کا بنیادی طور پر مختلف طریقہ ہے۔

فکسڈ ٹوپولوجی پروسیسرز کے ساتھ، آپ جسمانی رابطوں کے بارے میں سوچ سکتے ہیں:

A ─ B ─ C ─ D

اگر A تعامل کی ضرورت ہے Dمرتب کرنے والوں کو دستیاب نیٹ ورکس پر کوانٹم معلومات کو منتقل کرنے کے طریقے تلاش کرنا ہوں گے۔

دوبارہ ترتیب دینے والا فن تعمیر جسمانی انتظام کو خود کو تبدیل کرنے دیتا ہے۔

تصوراتی طور پر، پہلے:

A ─ B ─ C ─ D

تعمیر نو:

A ─ D ─ B ─ C

اب A اور D آپ جسمانی طور پر قریب آسکتے ہیں۔

اہم فرق یہ ہے کہ یہ صرف ایک اور روٹنگ الگورتھم نہیں ہے۔ ہارڈ ویئر خود کنکشن کو تبدیل کرنے میں حصہ لیتا ہے۔

یہ ایک وجہ ہے کہ کنفیگر ایبل آئن ٹریپ آرکیٹیکچرز کوانٹم کمپلیشن کے نقطہ نظر سے دلچسپ ہیں۔

کیا دوبارہ ترتیب دینے والا لنک تالیف کی ضرورت کو ختم کرتا ہے؟

نہیں اور یہ ایک اہم فرق ہے۔

یہ نتیجہ اخذ کرنا غلط ہو گا کہ قابلِ ترتیب کوانٹم کمپیوٹرز کے ساتھ کمپائلرز اب اہم نہیں رہے۔

مرتب کرنے والے کو ابھی بھی فیصلہ کرنے کی ضرورت ہے:

• کون سے آئنوں کو تعامل کرنا چاہئے۔

• آپ کو کب منتقل کرنا چاہئے؟

• اسے کس طرح ترتیب دیا جانا چاہئے

• کون سی کارروائیاں متوازی طور پر ہونی چاہئیں

• تحریک کس طرح وقت کو متاثر کرتی ہے۔

• ناپسندیدہ تعاملات سے کیسے بچیں۔

• اعلیٰ مخلصانہ کام کو کیسے محفوظ کیا جائے۔

اس کا مطلب ہے کہ کمپائلر کا کام بدل جاتا ہے۔

صرف پوچھنے کے بجائے: یہ گیٹ کہاں سے چلایا جا سکتا ہے؟

آپ ممکنہ طور پر سوالات پوچھ سکتے ہیں جیسے: مجھے اپنے ہارڈ ویئر کو کس طرح ترتیب دینا چاہیے تاکہ یہ گیٹ مؤثر طریقے سے چل سکے؟

یہ فرق اہم ہے۔

آئن ٹریپ کوانٹم کمپیوٹرز کو اسکیلنگ کرنے کے نقطہ نظر کے ایک حصے کے طور پر، ZuriQ ایک متحرک طور پر دوبارہ ترتیب دینے والے فن تعمیر کی وضاحت کرتا ہے جو ضرورت کے مطابق آئنوں کو چپ میں منتقل کرتا ہے۔

وسیع تر نقطہ ایک تعمیراتی مسئلہ ہے۔ کیا کوانٹم ہارڈ ویئر کو الگورتھم کے مطابق ڈھالنا چاہیے، یا الگورتھم کو ہارڈ ویئر کے مطابق ڈھالنا چاہیے؟

جواب بالآخر ہے۔ دونوں

فکسڈ بمقابلہ قابل ترتیب کنکشن

ہم مندرجہ ذیل اختلافات کو آسان بنا سکتے ہیں:

نقطہ نظر	کنکشن ماڈل	اہم حکمت عملی
روایتی فکسڈ ٹوپولوجی QPU	زیادہ تر طے شدہ	مرتب کرنے والے راستے کی معلومات
آئی بی ایم نائٹ ہاک	مربع گرڈ، 4 پڑوسیوں تک	بہتر مقامی کنیکٹیوٹی
IBM لانگ رینج/ماڈیولر ریسرچ	اضافی کپلر اور ماڈیول لنکس	اپنے کنکشن کو اپنے قریبی پڑوسیوں سے آگے بڑھائیں۔
دوبارہ ترتیب دینے والا ٹریپ آئن فن تعمیر	متحرک طور پر آئن ترتیب کو تبدیل کریں۔	مفید تعاملات پیدا کرنے کے لیے آئنوں کو حرکت دیں۔

اس کا مطلب یہ نہیں ہے کہ ایک نقطہ نظر خود بخود بہتر ہے۔ ہر فن تعمیر کے فوائد اور نقصانات ہوتے ہیں۔

سپر کنڈکٹنگ پروسیسرز سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ اور تیز رفتار کنٹرول ٹیکنالوجیز کا فائدہ اٹھا سکتے ہیں، لیکن انتہائی مشکل کرائیوجینک حالات (درجہ حرارت عام طور پر -150 ° C سے کم) میں کام کرتے ہیں۔

آئن ٹریپ آرکیٹیکچرز بہترین کوبٹ خصوصیات اور دوبارہ کنفیگر ایبل کنیکٹیویٹی فراہم کر سکتے ہیں، لیکن جسمانی طور پر آئنوں کی نقل و حمل انجینئرنگ اور کنٹرول چیلنجز بھی پیش کرتی ہے۔

تو دلچسپ سوالات ہیں: کون سا فن تعمیر جیتتا ہے؟

یہ ہے: ہارڈ ویئر، کنیکٹیویٹی، تالیف، اور غلطی کی اصلاح کا کون سا مجموعہ کارآمد بڑے پیمانے پر کمپیوٹیشن پیدا کر سکتا ہے؟

کوانٹم غلطی کی اصلاح کے لیے کنیکٹوٹی بھی اہم ہے۔

جیسے جیسے ہم آج کے شور مچانے والے پروسیسرز سے غلطی برداشت کرنے والے کوانٹم کمپیوٹرز کی طرف منتقل ہو رہے ہیں، رابطہ اور بھی اہم ہو جاتا ہے۔

خرابی کی اصلاح کے لیے مخصوص نمونوں کے مطابق تعامل کرنے والے بہت سے جسمانی کوبٹس کی ضرورت ہوتی ہے۔

آپ صرف ہزاروں کیوبٹس کو شامل نہیں کرسکتے ہیں اور یہ فرض نہیں کرسکتے ہیں کہ سسٹم خود بخود توسیع پذیر ہے۔

کیوبٹس کو ایک ایسی ٹوپولوجی میں منسلک ہونا چاہیے جو خرابی کی اصلاح کی مطلوبہ کارروائیوں کو سپورٹ کرتا ہو۔

IBM کا فالٹ ٹولرنس روڈ میپ اس کو براہ راست ظاہر کرتا ہے۔

IBM ایک ماڈیولر آرکیٹیکچر کی وضاحت کرتا ہے جس کی بنیاد بائیویریٹ بائیسکل کوڈ پر ہوتی ہے اور کہا جاتا ہے کہ ضروری کوانٹم کم کثافت برابری کی جانچ پڑتال کے ڈھانچے کو نافذ کرنے کے لیے qubits کے درمیان روابط کی ضرورت ہوتی ہے جو اپنے قریبی پڑوسیوں سے زیادہ دور ہوتے ہیں۔ روڈ میپ میں کنیکٹیویٹی کی ان ضروریات کو پورا کرنے کے لیے سی-کپلرز اور ایل-کپلرز جیسی ٹیکنالوجیز شامل ہیں۔

یہ ہمیں کنیکٹیویٹی کی وسیع تر تعریف فراہم کرتا ہے۔

کنیکٹیویٹی صرف الگورتھم کو تیز نہیں کرتی ہے۔ آپ فیصلہ کر سکتے ہیں کہ آیا ایک خاص غلطی کی اصلاح کا فن تعمیر عملی ہے۔

کنکشن منتخب الگورتھم کو تبدیل کر سکتا ہے۔

فرض کریں کہ دو کوانٹم الگورتھم ہیں جو ایک ہی مسئلہ کو حل کرتے ہیں۔

حساب A اس کے لیے بہت لمبی دوری کی بات چیت کی ضرورت ہوتی ہے۔

حساب B یہ بنیادی طور پر مقامی تعاملات کا استعمال کرتا ہے۔

دونوں ایک مکمل طور پر منسلک ورچوئل کوانٹم کمپیوٹر میں پرکشش لگ سکتے ہیں۔

محدود کنیکٹوٹی کے ساتھ فزیکل QPU پر الگورتھم B یہ چلانے کے لئے بہت آسان ہو سکتا ہے.

یہی وجہ ہے کہ ہارڈ ویئر سے آگاہ الگورتھم کو ڈیزائن کرنا تیزی سے اہم ہوتا جا رہا ہے۔

IBM کی اپنی دستاویزات میں ہارڈ ویئر ٹوپولاجیز پر لاگو الگورتھم کی مثالیں شامل ہیں۔ مثال کے طور پر، IBM کا LUCJ کیمسٹری ورک فلو تعاملات کو ایک ٹاپولوجی سے نقشہ بناتا ہے جسے SWAP روٹنگ متعارف کرائے بغیر ہیوی ہیکساڈیسیمل ہارڈ ویئر پر لاگو کیا جا سکتا ہے۔

یہ کوانٹم پروگرامرز کے لیے ایک اہم سبق ہے۔ کاغذ پر بہترین کوانٹم الگورتھم آپ کے پروسیسر کے لیے بہترین کوانٹم الگورتھم نہیں ہو سکتا۔ ایک عملی الگورتھم وہ ہے جو اس نظام کو مدنظر رکھتا ہے جس پر یہ درحقیقت چلائے گا۔

کنیکٹوٹی کو گراف کے طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔

ان سب کو سمجھنے کا ایک مفید طریقہ گراف تھیوری ہے۔

فرض کریں کہ کوانٹم سرکٹ میں درج ذیل تعاملات ہوتے ہیں:

Logical circuit graph:

q0 ───── q1
│ \       │
│  \      │
q2 ───── q3

یہ الگورتھم کا انٹرایکٹو گراف ہے۔

اب فرض کریں کہ آپ کا ہارڈ ویئر ہے:

Physical hardware:

p0 ─── p1 ─── p2
│
p3 ─── p4 ─── p5

مرتب کرنے والے کا کام بنیادی طور پر ان دو گرافوں کے درمیان ایک مفید نقشہ سازی تلاش کرنا ہے۔

آپ اسے اس طرح سوچ سکتے ہیں:

Algorithm graph
      ↓
   mapping
      ↓
Hardware graph
      ↓
   routing
      ↓
Executable circuit

دونوں گرافز جتنے قریب ہوں گے، کمپائلر کو اتنا ہی کم کام کرنا پڑے گا۔

وہ ایک دوسرے سے جتنا دور ہوں گے، اتنا ہی زیادہ روٹنگ کی ضرورت پڑسکتی ہے۔

یہ ایک وجہ ہے کہ کوانٹم ہارڈویئر ٹوپولوجی اور کوانٹم کمپائلیشن کو واقعی الگ الگ موضوعات کے طور پر نہیں سمجھا جا سکتا۔ وہ ایک ہی مسئلے کے دو حصے ہیں۔

ایک چھوٹا Qiskit تجربہ

آئیے آئیڈیا کو ٹھوس بنائیں۔

ایک ایسا سرکٹ بنائیں جو بار بار دور کی کوبٹس کو بات چیت کرنے کے لیے کہے۔

from qiskit import QuantumCircuit 

qc = QuantumCircuit(6) 

for _ in range(3): 
qc.cx(0, 5) 
qc.cx(1, 4) 
qc.cx(2, 3) 

print(qc)

اب ہم ایک سادہ لکیری ہارڈویئر ٹوپولوجی کی وضاحت کرتے ہیں۔

from qiskit.transpiler import CouplingMap
from qiskit.transpiler import generate_preset_pass_manager

coupling_map = CouplingMap([
    [0, 1],
    [1, 2],
    [2, 3],
    [3, 4],
    [4, 5]
])

پھر سرکٹ کو منتقل کریں۔

pm = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=0,
    coupling_map=coupling_map
)

compiled = pm.run(qc)

print("Original depth:", qc.depth())
print("Compiled depth:", compiled.depth())
print("Original gates:", len(qc.data))
print("Compiled gates:", len(compiled.data))

ٹرانسپلر ورژن اور آپٹیمائزیشن کنفیگریشن کے لحاظ سے درست اعداد مختلف ہوں گے، لیکن ہمارے تجربات درج ذیل اہم اصولوں کو ظاہر کرتے ہیں: اگرچہ منطقی الگورتھم ایک ہی رہتا ہے، ہارڈ ویئر ٹوپولوجی فزیکل سرکٹ کو تبدیل کر سکتی ہے۔

مزید مفید کنکشن کے ساتھ، آپ ٹوپولاجیز کو آزما سکتے ہیں اور نتیجے میں آنے والے سرکٹس کا موازنہ کر سکتے ہیں۔

یہ اس قسم کا تجربہ ہے جو کوانٹم پروگرامنگ سیکھنے والے ہر شخص کے لیے کنیکٹوٹی کو ٹھوس بناتا ہے۔

کیوں کم SWAP گیٹس اہم ہیں۔

فرض کریں کہ سرکٹ A کی ضرورت ہے:

100 two-qubit gates

سرکٹ بی کی ضرورت ہے:

100 algorithmic two-qubit gates
     +
40 SWAP gates

اگر ہر SWAP کو تین 2-qubit گیٹس میں تحلیل کیا جاتا ہے، تو وہ 40 SWAPs اضافی 2-qubit آپریشنز کی ایک خاص مقدار کی نمائندگی کر سکتے ہیں۔

اس کا مطلب ہے کہ پروسیسر اپنا سارا وقت الگورتھم کو چلانے میں صرف نہیں کرتا ہے۔ کوانٹم معلومات کو دوبارہ ترتیب دینے میں بھی وقت لگتا ہے تاکہ الگورتھم چل سکے۔

یہ پروگرام کے رن ٹائم موونگ ڈیٹا کا کچھ حصہ میموری کی جگہوں کے درمیان مفید کمپیوٹیشن کرنے کے بجائے خرچ کرنے کے مترادف ہے۔

لیکن ایک اور فرق ہے۔ یہ اضافی دروازے غلطی کے اضافی مواقع متعارف کروا سکتے ہیں۔

یہی وجہ ہے کہ روٹنگ اوور ہیڈ کارکردگی سے زیادہ اثر رکھتی ہے۔ یہ اس بات پر بھی اثر انداز ہو سکتا ہے کہ آیا حتمی نتائج مفید ہونے کے لیے کافی درست ہیں۔

IBM کے Qiskit پیپر نے واضح طور پر SWAP آپریشنز کو لے آؤٹ اور روٹنگ کے لیے اہم اہداف کے طور پر شناخت کیا، جبکہ IBM کے حالیہ QFT کے مظاہرے نے روٹنگ اوور ہیڈ اور جمع ہونے والے شور کو کوانٹم سرکٹس کو سکیل کرنے میں رکاوٹوں کے طور پر اجاگر کیا۔

زیادہ qubits خود بخود زیادہ کمپیوٹنگ طاقت کا مطلب نہیں ہے.

یہ کوانٹم ہارڈ ویئر میں سب سے اہم خیالات میں سے ایک کی طرف جاتا ہے۔ زیادہ qubits رکھنے سے خود بخود بہتر کوانٹم کمپیوٹر نہیں بنتا۔

دو پروسیسرز کا تصور کریں۔

پروسیسر A:

1,000 qubits
- limited connectivity
- high routing overhead

پروسیسر B:

500 qubits
- better connectivity
- lower routing overhead

کون سا زیادہ مفید ہے؟

کوئی آفاقی جواب نہیں ہے۔ یہ کام کے بوجھ پر منحصر ہے۔

اگر آپ کے الگورتھم کو زیادہ تر مقامی تعاملات کی ضرورت ہوتی ہے تو، پروسیسر A بہت اچھی طرح سے کام کر سکتا ہے۔

اگر الگورتھم کو دور دراز کیوبٹس کے درمیان متواتر تعاملات کی ضرورت ہوتی ہے، تو پروسیسر B پر کنکشن عملدرآمد کو بہت آسان بنا سکتا ہے۔

یہی وجہ ہے کہ جدید کوانٹم ہارڈویئر روڈ میپ بیک وقت متعدد جہتوں پر بحث کرتا ہے۔

• qubits کی تعداد

• دروازے کی وفاداری

• سرکٹ کی گہرائی

• کنیکٹوٹی

• تھرو پٹ

• غلطی کی اصلاح

• ماڈیولرٹی

• سافٹ ویئر

IBM کا موجودہ ہارڈویئر روڈ میپ اس وسیع تر نظریے کی عکاسی کرتا ہے، جس میں ہیرون، نائٹ ہاک، ماڈیولر سسٹمز، انٹر ماڈیول کمیونیکیشن، اور توسیع پذیر انفراسٹرکچر کو اسی ترقی کے راستے کے حصے کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔

مستقبل قابل پروگرام کنیکٹوٹی کے بارے میں ہوسکتا ہے۔

سب سے دلچسپ امکان یہ ہے کہ کنکشن خود تیزی سے قابل پروگرام بن سکتے ہیں۔

آج ہم پروسیسرز کے بارے میں سوچ سکتے ہیں کہ وہ زیادہ تر فکسڈ فزیکل گراف رکھتے ہیں۔

Hardware graph
     ↓
Compiler adapts circuit

تاہم، مستقبل کے فن تعمیرات درج ذیل سمتوں میں جا سکتے ہیں:

Algorithm
    ↓
Compiler
    ↓
Hardware configuration
    ↓
Connectivity
    ↓
Execution

مرتب کرنے والا صرف گیٹ کا انتخاب نہیں کرتا ہے۔ اس سے اس دروازے کے لیے درکار جسمانی انتظام یا مواصلاتی ڈھانچے کا تعین کرنے میں مدد مل سکتی ہے۔

جب کہ IBM اس خیال کو تیزی سے جڑے ہوئے چپس اور ماڈیولر آرکیٹیکچرز کے ساتھ تلاش کر رہا ہے، ZuriQ کا ٹریپ آئن اپروچ ایک اور مثال فراہم کرتا ہے کہ کس طرح آئن پوزیشنز کو متحرک طور پر دوبارہ ترتیب دیا جا سکتا ہے۔

اس کا مطلب یہ نہیں ہے کہ کوانٹم کمپیوٹر مکمل طور پر جڑے ہوں گے۔

فزکس اور انجینئرنگ کی پابندیاں وہی رہتی ہیں۔

لیکن اس کا مطلب یہ ہے کہ: کنیکٹیویٹی ایسی چیز ہوسکتی ہے جس کا نظام فعال طور پر انتظام کرتا ہے، بجائے اس کے کہ پروگرامرز آسانی سے قبول کریں۔

کوانٹم پروگرامرز کے لیے اس کا کیا مطلب ہے۔

اگر آپ Qiskit یا کوئی اور کوانٹم SDK سیکھ رہے ہیں، تو آپ کوانٹم سرکٹس کو حتمی پروگرام کے طور پر سوچنا چاہیں گے۔

یہ سچ نہیں ہے۔

یہ ایک اعلی سطحی وضاحت کے قریب ہے کہ کوانٹم کمپیوٹر کیا کرنے کی کوشش کر رہا ہے۔

عمل درآمد کا اصل عمل درج ذیل ہے:

Your quantum algorithm 
        ↓ 
Logical circuit 
        ↓ 
Qubit mapping 
        ↓
     Routing 
        ↓ 
Gate decomposition 
        ↓ 
    Optimization 
        ↓ 
    Scheduling 
        ↓ 
Hardware execution

فزیکل پروسیسر راستے میں رکاوٹیں لگاتا ہے۔

اس کا مطلب یہ ہے کہ کوانٹم ڈویلپرز کو آخر کار اس بارے میں سوچنے کی عادت ڈالنی پڑے گی:

1. ہارڈ ویئر ٹوپولوجی: کون سے qubits براہ راست بات چیت کر سکتے ہیں؟

2. منطقی-جسمانی نقشہ سازی: ہر منطقی کوبٹ کہاں ہونا چاہیے؟

3. روٹنگ: میں غیر مقامی تعاملات کو کیسے نافذ کر سکتا ہوں؟

4. سرکٹ کی گہرائی: کتنے ترتیب وار کاموں کو انجام دیا جانا چاہیے؟

5. 2-کوبٹ گیٹس کی تعداد: سرکٹ کو کتنا مہنگا الجھانے کا کام درکار ہے؟

6. ہارڈ ویئر سے آگاہی کی اصلاح: کیا پروسیسر کو بہتر طور پر فٹ کرنے کے لیے سرکٹ کو دوبارہ لکھنا ممکن ہے؟

7. فن تعمیر: کیا دیگر کوانٹم ہارڈویئر ڈیزائن اس مسئلے کو مکمل طور پر کم کر سکتے ہیں؟

یہ سوالات کوانٹم پروگرامنگ کو گیٹ تخلیق سے آگے بڑھاتے ہیں۔ انہوں نے اسے کوانٹم سسٹم انجینئرنگ میں منتقل کیا۔

IBM اور ZuriQ سے گہرائی سے اسباق

آئی بی ایم کے ہیرون اور نائٹ ہاک پروسیسر دو اہم خیالات کا مظاہرہ کرتے ہیں۔

سب سے پہلے کنیکٹیویٹی ایک ڈیزائن ٹریڈ آف ہے۔.

ہیرون کی ہیوی ہیکساڈیسیمل ٹوپولوجی اعلی کارکردگی والے سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس کے لیے ایک منظم فن تعمیر فراہم کرتی ہے۔ نائٹ ہاک ٹوپولوجی کو ایک مربع گرڈ میں تبدیل کرکے بہت سے کام کے بوجھ کے لیے روٹنگ اوور ہیڈ کو کم کرتا ہے جس میں فی کوئبٹ چار پڑوسی ہیں۔

دوسرا، IBM کا روڈ میپ ظاہر کرتا ہے کہ اکیلے مقامی رابطے ہمیشہ کے لیے کافی نہیں ہو سکتے۔

کمپنی لمبی دوری کے کپلرز اور ماڈیولر کمیونیکیشنز کی تلاش کر رہی ہے کیونکہ یہ غلطی برداشت کرنے والے نظاموں کی طرف بڑھ رہی ہے۔

ZuriQ ایک مختلف سمت سے مسئلے تک پہنچتا ہے۔

آئن ٹریپ ڈھانچے تین جہتوں میں آئنوں کو دوبارہ ترتیب دینے اور ٹرانسپورٹ کرنے کے لیے متحرک طور پر کنٹرول شدہ الیکٹروڈ کا استعمال کرتے ہیں۔ کنیکٹوٹی کو مکمل طور پر طے شدہ ماننے کے بجائے، فن تعمیر کو آئنوں کے جسمانی انتظام کو دوبارہ ترتیب دینے کی صلاحیت کے ارد گرد ڈیزائن کیا گیا ہے۔

یہ مختلف انجینئرنگ فلسفے ہیں۔

ایک شخص پوچھتا ہے:

ہم کس طرح بہتر منسلک، فکسڈ آرکیٹیکچرز بنا سکتے ہیں؟

ایک اور شخص پوچھتا ہے:

ہم جسمانی فن تعمیر کو دوبارہ قابل ترتیب کیسے بنا سکتے ہیں؟

کسی بھی سوال کا ابھی تک کوئی عالمگیر جواب نہیں ہے۔

لیکن دونوں ایک ہی بنیادی مسئلہ کی طرف اشارہ کرتے ہیں۔ قابل توسیع کوانٹم کمپیوٹنگ کوانٹم معلومات کو منتقل کرنے یا اس بات کو یقینی بنانے کے طریقوں کی ضرورت ہوتی ہے کہ صحیح کوانٹم معلومات کنیکٹوٹی لاگت کے بغیر آپس میں تعامل کرتی ہے جو خود کمپیوٹیشن پر بھاری ہوتی ہے۔

نتیجہ

جب آپ لکھتے ہیں:

qc.cx(0, 50)

منطقی کارروائیوں کی وضاحت کی گئی ہے۔

یہ ہر چیز کی وضاحت نہیں کرتا ہے جو ایک فزیکل کوانٹم کمپیوٹر کو اس کام کو انجام دینے کے لیے کرنا چاہیے۔

qubits کے لئے 0 اور 50 ایک براہ راست کنکشن ہارڈ ویئر کو مؤثر طریقے سے بات چیت کرنے کی اجازت دیتا ہے.

بصورت دیگر، کمپائلر کو کوانٹم معلومات کو دوبارہ ترتیب دینے کے لیے اضافی آپریشنز استعمال کرنے کی ضرورت پڑ سکتی ہے۔

یہ آپریشن گیٹ کی گنتی، سرکٹ کی گہرائی کو بڑھاتے ہیں، اور غلطیوں کا زیادہ شکار ہو سکتے ہیں۔

یہ رابطہ کوانٹم کمپیوٹنگ کی شکل دینے والی پوشیدہ قوتوں میں سے ایک بناتا ہے۔

ہیرون کے ہیوی ہیکساگونل فن تعمیر سے نائٹ ہاک کے مربع گرڈ تک آئی بی ایم کا ارتقا یہ ظاہر کرتا ہے کہ کس طرح ہارڈویئر ٹوپولوجی کو تبدیل کرنے سے روٹنگ اوور ہیڈ کو کم کیا جا سکتا ہے اور مزید پیچیدہ سرکٹس کو فعال کیا جا سکتا ہے۔ طویل فاصلے کے کپلرز اور ماڈیولر کمیونیکیشنز پر IBM کا کام ظاہر کرتا ہے کہ کنیکٹیویٹی کے مسائل زیادہ اہم ہو جائیں گے کیونکہ کوانٹم پروسیسرز انفرادی چپس سے آگے بڑھیں گے۔

ایک ہی وقت میں، ZuriQ کا دوبارہ ترتیب دینے والا آئن ٹریپ اپروچ دیگر امکانات کو ظاہر کرتا ہے۔

کمپائلر سے مکمل طور پر طے شدہ ٹوپولوجی کو حل کرنے کے لیے کہنے کے بجائے، خود آئنوں کی جسمانی ترتیب کو مفید کنفیگریشنز بنانے کے لیے تبدیل کیا جا سکتا ہے۔

یہ کوانٹم کمپیوٹنگ کے مستقبل کے بارے میں سوچنے کا ایک مفید طریقہ فراہم کرتا ہے۔

Better algorithms
       +
Better compilers
       +
Better connectivity
       +
Reconfigurable architectures
       +
Better error correction
       =
More useful quantum computers

اگلی بار جب آپ کوانٹم پروسیسر دیکھیں اور 120 یا 156 کیوبٹس جیسے نمبر دیکھیں تو صرف یہ مت پوچھیں:

کتنے qubits ہیں؟

یہ بھی پوچھیں:

qubits کیسے منسلک ہیں؟

کیونکہ جوابات ہمیں اس بارے میں مزید معلومات فراہم کرتے ہیں کہ مشین اصل میں کیا حساب کر سکتی ہے۔