ایک کوانٹم کمپیوٹر کے اندر ذرات کا ٹکراؤ گھر
ٹکراؤ طویل عرصے سے مادے کی اندرونی ساخت جانچنے کے لیے طبیعیات کے بنیادی اوزاروں میں سے ایک رہے ہیں۔ کوانٹم سمیولیٹر اب کوانٹم ہارڈویئر پر ٹکراؤ کرانا ممکن بناتے ہیں، جہاں تعاملات کی شدت کو اپنی مرضی سے کمزور سے بہت مضبوط تک ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے۔
ایسے حقیقی مادوں میں جہاں الیکٹران آپس میں مضبوطی سے تعامل کرتے ہیں، شبہ ذرات — یعنی اجتماعی ہیجانات جو ذرات کی طرح برتاؤ کرتے ہیں — کے درمیان ٹکراؤ طے کرتے ہیں کہ بار اور توانائی کیسے حرکت کرتے ہیں۔ لیکن عموماً ان کا مطالعہ صرف بالواسطہ، طیف بینی (spectroscopy) کے ذریعے کیا جاتا ہے۔ ایک کوانٹم سمیولیٹر انفرادی شبہ ذرات بنا سکتا ہے، انہیں روانہ کر سکتا ہے، اور مکان و زمان میں ان کا ٹکراؤ دیکھ سکتا ہے۔
دو متضاد پرتابے
سیول کی ہانیانگ یونیورسٹی، کوریا کی آجو یونیورسٹی اور امریکہ کی اوہائیو اسٹیٹ یونیورسٹی کے چان بن بارک، مون جپ پارک اور ان کے ساتھیوں نے تعامل کرنے والے الیکٹرانوں کا ایک درسی ماڈل چنا، فرمی-ہبرڈ ماڈل۔ الیکٹران ایک زنجیر کے ساتھ ساتھ ایک مقام سے دوسرے پر کودتے ہیں، اور ایک ہی مقام پر دو الیکٹران U توانائی کے ساتھ ایک دوسرے کو دفع کرتے ہیں۔ ہر مقام پر ٹھیک ایک الیکٹران ہو تو زنجیر ایک نام نہاد موٹ انسولیٹر بن جاتی ہے۔
اس پس منظر پر دو قسم کے ہیجانات بار لے جا سکتے ہیں:
- ڈبلون، یعنی دو الیکٹرانوں والا مقام؛
- ہولون، یعنی خالی مقام۔
یہ ایک ذرے اور اس کے ضد ذرے کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ یکساں شبہ ذرات کے ٹکراؤ کا مطالعہ پہلے ہو چکا تھا؛ دو مختلف شبہ ذرات کا ٹکراؤ، جن میں سے ہر ایک کو الگ الگ تیار کیا گیا ہو، نہیں ہوا تھا۔
ٹکراؤ گھر کی تعمیر
ٹیم نے IBM کے سپر کنڈکٹنگ کوانٹم پروسیسر ibm_boston کے 42 کیوبٹس پر 21 مقامات کی ایک زنجیر کو رمز بند کیا، ہر مقام کے لیے دو کیوبٹس۔ انہوں نے ایک طرف ڈبلون اور دوسری طرف ہولون رکھا۔
انہیں روانہ کرنے کے لیے انہوں نے پہلے تھوڑی دیر کے لیے بیرونی کناروں کی طرف کودنا بند کر دیا، تاکہ ہر ہیجان صرف مرکز کی طرف حرکت کر سکے — جیسے دوڑ کا آغازی دروازہ۔ پھر انہوں نے تمام کودنا بحال کیا اور دونوں پیکٹوں کو درمیان کے قریب ملنے دیا۔
آج کے شور زدہ ہارڈویئر پر ایسے سرکٹ چلانے کے لیے احتیاط درکار تھی: انہوں نے ابتدائی جانچوں سے بہترین کیوبٹس چنے، ہر ڈیٹا پوائنٹ کے لیے 70,000 پیمائشیں کیں، اور غلطیاں درست کرنے کے لیے اس حقیقت کو استعمال کیا کہ ذرات کی کل تعداد مستقل رہنی چاہیے۔ انہوں نے ہر چیز کا موازنہ ماڈل کے ایک قطعی نظریاتی حل سے کیا، جسے بیتھے اینزاٹز (Bethe ansatz) کہتے ہیں، اور کلاسیکی کمپیوٹر سمیولیشنز سے بھی۔
آر پار، واپسی، یا دونوں
- کمزور دفع (U = 1) کے ساتھ ڈبلون اور ہولون ایک دوسرے کے آر پار گزر کر آگے بڑھ جاتے ہیں۔
- مضبوط دفع (U = 7) کے ساتھ وہ اچھل کر واپس آتے ہیں۔ جگہ بدلنے کے لیے انہیں ایک درمیانی ترتیب سے گزرنا پڑتا جس کی قیمت U توانائی ہے، اس لیے وہ سخت گیندوں کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔
- دونوں صورتوں میں وہ اتنی ہی تیزی سے جاتے ہیں جتنی تیزی سے آئے تھے: ٹکراؤ لچکدار (elastic) ہے۔
انہوں نے 1 سے 8 تک کے دفع کے لیے آر پار گزرنے کا امکان ناپا۔ یہ قطعی نظریے کی کسی ایڈجسٹ شدہ پیرامیٹر کے بغیر پیروی کرتا ہے — مصنفین کے مطابق کوانٹم ہارڈویئر پر اس ماڈل کے شبہ ذرات کے لیے یہ پہلی بار ہوا ہے۔
آدھا آر پار، آدھا واپس
ایک درمیانی دفع (U = 3.5) پر کچھ غیر معمولی ہوتا ہے: ٹکراؤ کے بعد بار تقریباً غائب ہو جاتا ہے۔ ڈبلونز اور ہولونز کو الگ الگ ناپنے سے وجہ سامنے آتی ہے۔ کوئی غائب نہیں ہوا — ڈبلونز کی تعداد کم نہیں ہوتی — بلکہ ہر ایک زنجیر کے دونوں اطراف پھیل گیا۔ نکلنے والی حالت “آر پار گزرا” اور “واپس اچھلا” کا ملتے جلتے تناسب میں آمیزہ لگتی ہے۔
ایسی سپرپوزیشن زنجیر کے بائیں اور دائیں حصوں کو باہم الجھا (entangle) دیتی ہے۔ ٹیم نے کوانٹم حالت کی مکمل تشکیلِ نو کے بغیر اسے پکڑا، یہ ناپ کر کہ بائیں حصے میں ذرات کی تعداد ایک تجربے سے دوسرے تک کتنی اوپر نیچے ہوتی ہے۔ یہ اتار چڑھاؤ درمیانی دائرے میں سب سے زیادہ ہے۔
کنٹرول کے طور پر انہوں نے ہولون کی جگہ دوسرا ڈبلون رکھا۔ دو یکساں ڈبلون جگہ نہیں بدل سکتے، اور واقعی ان کا ٹکراؤ ہر دفع پر تقریباً ایک جیسا نظر آیا، تقریباً بغیر کسی اتار چڑھاؤ کے۔
کیا دکھانا باقی ہے
مصنفین محتاط ہیں: ان کی پیمائشیں دکھاتی ہیں کہ دونوں نتائج موجود ہیں، اور کس تناسب میں، لیکن یہ براہِ راست ثابت نہیں کرتیں کہ دونوں ہم آہنگ (coherent) طور پر سپرپوزیشن میں ہیں۔ یہ تشریح کوانٹم ارتقا کے قوانین اور نظریے سے مطابقت پر ٹکی ہے۔ جب طویل تر سمیولیشنز ممکن ہوں گی تو ایک تداخل (interference) تجربہ اس کی تصدیق کر سکتا ہے — یہاں جانچے گئے وقت کے دائرے سے آگے کلاسیکی سمیولیشنز بھی ساتھ دینے میں مشکل محسوس کرتی ہیں۔