NxM-Version Programming for Quantum Software: High-Level Components across Frameworks and Engines

क्वांटम कंप्यूटिंग उन समस्याओं को हल करने का वादा करती है जो वर्तमान में हमारे सबसे शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं, लेकिन इन मशीनों को चलाने के लिए सॉफ्टवेयर बनाना एक नाजुक और भ्रमित करने वाला कार्य है। क्लासिकल कंप्यूटरों के विपरीत, जो सूचना को सरल ऑन-ऑफ स्विच के रूप में संसाधित करते हैं, क्वांटम मशीनें "क्यूबिट्स" (qubits) का उपयोग करती हैं जो एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकते हैं। उन्हें काम करने के योग्य बनाने के लिए, प्रोग्रामर को जटिल ऑपरेशनों के क्रम बनाने होते हैं, जिसमें अक्सर ऐसा कोड लिखना होता है जो सीधे मशीन के भौतिक विज्ञान (physics) से बात करता हो। इसके लिए कौशल के एक दुर्लभ मिश्रण की आवश्यकता होती है: क्वांटम यांत्रिकी की गहरी समझ, जटिल कोड लिखने की क्षमता, और विभिन्न सॉफ्टवेयर उपकरणों के तेजी से बदलते परिदृश्य से परिचितता। प्रत्येक प्रमुख प्रौद्योगिकी कंपनी और अनुसंधान समूह ने क्वांटम हार्डवेयर से बात करने का अपना अलग तरीका बनाया है, जिसमें अलग-अलग भाषाओं और नियमों का उपयोग किया जाता है। यह विखंडन यह जानना कठिन बना देता है कि क्या परिणाम सही है, क्योंकि गलती कोड में, उपयोग किए गए टूल में, या स्वयं मशीन में हो सकती है।

ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस जटिलता से निपटने का एक नया तरीका विकसित किया है, जिसमें वे क्वांटम सॉफ्टवेयर को लिखे जाने वाले टेक्स्ट की दीवार के बजाय पाइपों के माध्यम से बहते पानी के प्रवाह की तरह देखते हैं। उन्होंने 'क्वानिफ़ाई' (Quanifi) नामक एक प्रणाली बनाई है, जो उपयोगकर्ताओं को एक विजुअल स्क्रीन पर पहले से बने ब्लॉक्स को ड्रैग और ड्रॉप करके क्वांटम प्रोग्राम बनाने की अनुमति देती है, ठीक वैसे ही जैसे बिना किसी तार को सोल्डर किए एक सर्किट बोर्ड को असेंबल करना। उनके दृष्टिकोण की बुद्धिमत्ता इसे टेस्ट करने के तरीके में निहित है। केवल एक मशीन पर एक एकल गणना का संस्करण चलाने के बजाय, उनकी प्रणाली एक ही समस्या को तीन अलग-अलग सॉफ्टवेयर टूल्स और तीन अलग-अलग क्वांटम कंप्यूटरों के माध्यम से एक साथ चलाती है। यह परिणामों का एक ग्रिड बनाता है जहाँ एक ही समय में हर संभावित संयोजन का परीक्षण किया जाता है। यदि उत्तर असहमत होते हैं, तो सिस्टम सटीक रूप से पहचान सकता है कि त्रुटि कहाँ हुई: क्या यह सॉफ्टवेयर टूल में थी, कंप्यूटर हार्डवेयर में, या दोनों की विशिष्ट जोड़ी में?

शोधकर्ताओं ने इस पद्धति का उपयोग एक क्लासिक सर्च एल्गोरिदम चलाने के लिए किया, जिसे ग्रोवर एल्गोरिदम (Grover's algorithm) के रूप में जाना जाता है, जो एक बड़ी सूची में एक विशिष्ट आइटम खोजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने तीन अलग-अलग सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क—Qiskit, Cirq, और PennyLane—का उपयोग करके एक ही सर्च रूटीन बनाया, और उन्हें दुनिया के विभिन्न हिस्सों में स्थित तीन अलग-अलग क्वांटम कंप्यूटरों पर भेजा: एक IBM का, एक IQM का, और एक Quantum Inspire का। इन नौ अलग-अलग पथों के परिणामों की तुलना करके, वे उन विसंगतियों को पकड़ने में सक्षम हुए जो केवल एक परिणाम को देखने पर अदृश्य रहतीं। यह प्रक्रिया, जिसे वे N×M निष्पादन (execution) कहते हैं, एक शक्तिशाली सुरक्षा जाल के रूप में कार्य करती है, जो क्वांटम कंप्यूटिंग के पूरे पारिस्थितिकी तंत्र में छिपे दोषों को उजागर करती है।

इस जांच में उद्योग में उपयोग किए जाने वाले टूल्स और मशीनों में तीन वास्तविक दोषों का खुलासा हुआ। पहला मुद्दा Quantum Inspire की एक मशीन में पाया गया। जब शोधकर्ताओं ने Cirq सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क का उपयोग किया, तो मशीन लगातार गलत उत्तर दे रही थी, जिससे परिणाम के बिट्स उलट रहे थे। हालाँकि, वही सॉफ्टवेयर अन्य दो कंप्यूटरों पर पूरी तरह से काम कर रहा था, और अन्य सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क उस विशिष्ट मशीन पर ठीक से काम कर रहे थे। इस विशिष्ट विफलता ने यह संकेत दिया कि मशीन का एडॉप्टर (adapter) Cirq निर्देशों को अनुवादित करने में समस्या कर रहा था। यह पता चला कि एडॉप्टर एक विशिष्ट प्रकार के रोटेशन गेट का उपयोग गलत दिशा के साथ कर रहा था, जो प्रभावी रूप से क्यूबिट्स को विपरीत दिशा में घुमा रहा था जैसा कि उसे करना चाहिए था। शोधकर्ताओं ने सिमुलेशन के माध्यम से इस त्रुटि की पुष्टि की और फिर इसे प्रदाता को रिपोर्ट किया।

दूसरा दोष उसी Quantum Inspire मशीन से संबंधित था। सॉफ्टवेयर एडॉप्टर ने दावा किया कि मशीन कुछ जटिल ऑपरेशन कर सकती है जो वह वास्तव में नहीं कर सकती। जब शोधकर्ताओं ने इन असमर्थ ऑपरेशनों का उपयोग करने का प्रयास किया, तो मशीन चुपचाप विफल हो गई, बिना किसी चेतावनी के गलत उत्तर दिए। इसने उस अंतर को उजागर किया जो सॉफ्टवेयर द्वारा बताई गई मशीन की क्षमताओं और उसके वास्तविक सामर्थ्य के बीच था। तीसरा और शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज 'ओपन क्वांटम' (Open Quantum) नामक एक क्लाउड सेवा से जुड़ी थी, जो एक मध्यस्थ के रूप में कार्य करती है जिससे उपयोगकर्ता एक ही इंटरफ़ेस के माध्यम से विभिन्न क्वांटम कंप्यूटरों तक पहुँच सकते हैं। शोधकर्ताओं ने सीधे कनेक्शन और इस क्लाउड सेवा दोनों के माध्यम से एक ही सर्किट फ़ाइलें मशीन को भेजीं। जबकि सीधा कनेक्शन काम कर रहा था, क्लाउड सेवा ने कुछ प्रकार के सर्किटों के लिए गलत परिणाम दिए। त्रुटि सूक्ष्म थी: सेवा चुपचाप निर्देशों से विशिष्ट रोटेशन स्टेप्स को हटा रही थी, जिससे उपयोगकर्ता को बताए बिना गणना बदल जा रही थी। प्रदाता ने इस पार्सिंग एरर की पुष्टि की और रिपोर्ट के कुछ समय बाद इसे ठीक भी कर दिया।

इस कार्य का मूल्य केवल इन बग्स को खोजने में नहीं है, बल्कि उन्हें खोजने के तरीके में है। विभिन्न सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क और विभिन्न मशीनों को एक ही परीक्षण के स्वतंत्र संस्करणों के रूप में चलाकर, शोधकर्ताओं ने विश्वसनीयता का एक मानचित्र तैयार किया जिसने दिखाया कि सिस्टम कहाँ टूट जाता है। उन्होंने पाया कि कुछ उपकरण कुछ मशीनों पर अच्छी तरह काम करते हैं लेकिन दूसरों पर विफल हो जाते हैं, और कुछ क्लाउड सेवाएँ ऐसी त्रुटियाँ पेश करती हैं जिन्हें केवल अंतिम परिणाम को देखकर पकड़ना असंभव है। इस दृष्टिकोण के लिए उपयोगकर्ता को क्वांटम भौतिकी का विशेषज्ञ होने या जटिल कोड लिखने की आवश्यकता नहीं है; इसके लिए केवल ब्लॉक्स को असेंबल करने और सिस्टम को परिणामों की तुलना करने देने की आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि कुछ मशीनों पर उनके परीक्षण के चार-क्यूबिट संस्करण बहुत शोर (noisy) वाले थे जिससे निश्चित निष्कर्ष निकालना कठिन था, लेकिन दो-क्यूबिट परीक्षण स्पष्ट और निर्णायक थे।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटिंग का मार्ग केवल बेहतर हार्डवेयर ही नहीं, बल्कि यह सत्यापित करने के तरीके की भी मांग करता है कि सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर सही ढंग से एक साथ काम कर रहे हैं या नहीं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि विभिन्न सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क और विभिन्न मशीनों को एक ही परीक्षण के स्वतंत्र संस्करणों के रूप में उपयोग करके, वे उन विफलताओं को अलग कर सकते हैं जो अन्यथा छिपी रहतीं। उन्होंने अपने द्वारा पाए गए तीनों दोषों की रिपोर्ट की, और क्लाउड सेवा के प्रदाता ने पहले ही अपनी त्रुटि की पुष्टि और सुधार कर दिया है। Quantum Inspire एडॉप्टर से संबंधित अन्य दो मुद्दे अभी समीक्षा के अधीन हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि जैसे-जैसे क्वांटम कंप्यूटिंग प्रयोगशाला से वास्तविक दुनिया की ओर बढ़ती है, यह सुनिश्चित करने के लिए कि हमें मिलने वाले उत्तर वास्तव में सही हैं, इस तरह की क्रॉस-चेकिंग अनिवार्य होगी।