Reversible computing
ریورسیبل کمپیوٹنگ کمپیوٹیشن کا کوئی بھی نمونہ ہے جہاں کمپیوٹیشنل عمل، کسی حد تک، ٹائم ریورسیبل ہوتا ہے۔ کمپیوٹیشن کے ایک ماڈل میں جو تجریدی مشین کی ایک حالت سے دوسری حالت میں تعیناتی منتقلی کا استعمال کرتا ہے، واپسی کے لیے ایک ضروری شرط یہ ہے کہ ریاستوں سے ان کے جانشینوں کے لیے نقشہ سازی کا تعلق ایک سے ایک ہونا چاہیے۔ ریورسیبل کمپیوٹنگ غیر روایتی کمپیوٹنگ کی ایک شکل ہے۔ کوانٹم میکانکس کی یکسانیت کی وجہ سے، کوانٹم سرکٹس پلٹ سکتے ہیں، جب تک کہ وہ ان کوانٹم حالتوں کو "ختم" نہ کریں جن پر وہ کام کرتے ہیں۔ تبدیلی کی دو بڑی، قریب سے متعلق اقسام ہیں جو اس مقصد کے لیے خاص دلچسپی کی حامل ہیں: جسمانی تبدیلی اور منطقی تبدیلی۔ کسی عمل کو جسمانی طور پر بدلنے والا کہا جاتا ہے اگر اس کے نتیجے میں جسمانی اینٹروپی میں کوئی اضافہ نہ ہو۔ یہ آئسینٹروپک ہے۔ سرکٹ ڈیزائن کا ایک انداز ہے جو مثالی طور پر اس خاصیت کی نمائش کرتا ہے جسے چارج ریکوری منطق، اڈیبیٹک سرکٹس، یا اڈیبیٹک کمپیوٹنگ کہا جاتا ہے (دیکھیں اڈیبیٹک عمل)۔ اگرچہ عملی طور پر کوئی غیر مستحکم جسمانی عمل بالکل جسمانی طور پر بدلنے والا یا آئسنٹروپک نہیں ہو سکتا، لیکن اس قربت کی کوئی معلوم حد نہیں ہے جس کے ساتھ ہم کامل الٹ پلٹ تک پہنچ سکتے ہیں، ان نظاموں میں جو نامعلوم بیرونی ماحول کے ساتھ تعاملات سے کافی حد تک الگ تھلگ ہیں، جب نظام کے ارتقاء کو بیان کرنے والے طبیعیات کے قوانین واضح طور پر معلوم ہوتے ہیں۔ ٹیکنالوجیز کے مطالعہ کے لیے ایک محرک جس کا مقصد ریورسیبل کمپیوٹنگ کو نافذ کرنا ہے وہ یہ ہے کہ وہ کمپیوٹرز کی کمپیوٹیشنل توانائی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کا واحد ممکنہ طریقہ پیش کرتے ہیں (یعنی، فی یونٹ توانائی کے ضائع ہونے پر انجام دی جانے والی مفید کارروائیاں) بنیادی وان نیومن-لینڈاؤر توانائی کی حد فی ناقابل واپسی بٹ آپریشن کے ضائع ہونے سے آگے۔ اگرچہ لینڈاؤر کی حد 2000 کی دہائی میں کمپیوٹرز کی توانائی کی کھپت سے لاکھوں گنا کم اور 2010 کی دہائی میں ہزاروں گنا کم تھی، لیکن ریورسیبل کمپیوٹنگ کے حامیوں کا کہنا ہے کہ اس کی وجہ بڑی حد تک آرکیٹیکچرل اوور ہیڈز کو قرار دیا جا سکتا ہے جو عملی سرکٹ ڈیزائن میں لینڈاؤر کی حد کے اثرات کو مؤثر طریقے سے بڑھا دیتے ہیں، تاکہ اگر ریورسیبل کمپیوٹنگ کے اصولوں کا استعمال نہ کیا جائے تو عملی ٹیکنالوجی کے لیے توانائی کی کارکردگی کی موجودہ سطح سے بہت آگے بڑھنا مشکل ثابت ہو سکتا ہے۔ تھرموڈینامکس سے تعلق جیسا کہ سب سے پہلے آئی بی ایم میں کام کرتے ہوئے رالف لینڈاؤر نے استدلال کیا تھا، تاکہ کمپیوٹیشنل عمل جسمانی طور پر ریورسیبل ہو، اسے منطقی طور پر بھی ریورسیبل ہونا چاہیے۔ لینڈاؤر کا اصول یہ سختی سے درست مشاہدہ ہے کہ معلوم معلومات کے n بٹس کی لاعلمی سے مٹانے کی لاگت ہمیشہ تھرموڈینامک اینٹروپی میں ہونی چاہیے۔ ایک مجرد، تعیناتی کمپیوٹیشنل عمل کو منطقی طور پر بدلنے والا کہا جاتا ہے اگر ٹرانزیشن فنکشن جو پرانی کمپیوٹیشنل حالتوں کو نئی حالتوں میں نقشہ بناتا ہے وہ ون ٹو ون فنکشن ہے۔ آؤٹ پٹ منطقی ریاستیں کمپیوٹیشنل آپریشن کی ان پٹ منطقی حالتوں کا منفرد طور پر تعین کرتی ہیں۔ کمپیوٹیشنل عمل کے لیے جو غیر متعین ہیں (ممکنہ یا بے ترتیب ہونے کے معنی میں)، پرانی اور نئی حالتوں کے درمیان تعلق ایک واحد قدر والا فنکشن نہیں ہے، اور فزیکل ریورسیبلٹی حاصل کرنے کے لیے درکار ضرورت قدرے کمزور حالت بن جاتی ہے، یعنی کہ ممکنہ ابتدائی کمپیوٹیشنل حالتوں کے دیئے گئے مجموعے کا سائز اوسطا کم نہیں ہوتا، جیسے جیسے کمپیوٹیشن آگے بڑھتی ہے۔ فزیکل ریورسیبلٹی لینڈاؤر کے اصول (اور درحقیقت تھرموڈینامکس کا دوسرا قانون) کو طبیعیات کی بنیادی ریورسیبلٹی کا براہ راست منطقی نتیجہ بھی سمجھا جا سکتا ہے، جیسا کہ میکانکس کی عام ہیملٹنین تشکیل میں ظاہر ہوتا ہے، اور خاص طور پر کوانٹم میکانکس کے یونٹری ٹائم-ایوولوشن آپریٹر میں۔ اس طرح ریورسیبل کمپیوٹنگ کا نفاذ یہ سیکھنے کے مترادف ہے کہ مطلوبہ کمپیوٹیشنل کارروائیوں کو انجام دینے کے لیے میکانزم کی فزیکل ڈائنامکس کو کس طرح نمایاں اور کنٹرول کیا جائے تاکہ تجربہ ہر منطق آپریشن کے مطابق میکانزم کی مکمل فزیکل حالت کے حوالے سے غیر یقینی صورتحال کی ایک نہ ہونے کے برابر رقم جمع کرے۔ دوسرے لفظوں میں، مشین کے اندر کمپیوٹیشنل کارروائیوں کو انجام دینے میں شامل فعال توانائی کی حالت کو درست طریقے سے ٹریک کریں، اور مشین کو ڈیزائن کریں تاکہ اس توانائی کی اکثریت کو ایک منظم شکل میں بازیافت کیا جا سکے جسے بعد کی کارروائیوں کے لیے دوبارہ استعمال کیا جا سکے، بجائے اس کے کہ گرمی کی شکل میں ختم ہونے کی اجازت دی جائے۔ اگرچہ اس مقصد کو حاصل کرنا کمپیوٹنگ کے لیے انتہائی درست نئے فزیکل میکانزم کے ڈیزائن، مینوفیکچرنگ اور خصوصیت کے لیے ایک اہم چیلنج پیش کرتا ہے، لیکن اس وقت یہ سوچنے کی کوئی بنیادی وجہ نہیں ہے کہ یہ مقصد بالآخر پورا نہیں کیا جا سکتا، جس سے کسی دن ایسے کمپیوٹر بنانے کی اجازت ملتی ہے جو اندرونی طور پر انجام دیے جانے والے ہر مفید منطقی آپریشن کے لیے 1 بٹ کے قابل فزیکل اینٹروپی (اور گرمی کے لیے کے ٹی ایل این 2 توانائی سے بہت کم خارج) سے بہت کم پیدا کرتے ہیں۔ آج، اس شعبے میں تعلیمی ادب کا ایک بڑا حصہ موجود ہے۔ ریورسیبل ڈیوائس تصورات، منطق گیٹس، الیکٹرانک سرکٹس، پروسیسر آرکیٹیکچرز، پروگرامنگ لینگویجز، اور ایپلیکیشن الگورتھم کی ایک وسیع اقسام کو طبیعیات دانوں، الیکٹریکل انجینئروں، اور کمپیوٹر سائنسدانوں نے ڈیزائن اور تجزیہ کیا ہے۔ تحقیق کا یہ شعبہ ایک اعلی معیار، لاگت سے موثر، تقریبا ریورسیبل منطق ڈیوائس ٹیکنالوجی کی تفصیلی ترقی کا انتظار کر رہا ہے، جس میں انتہائی توانائی سے موثر کلاکنگ اور سنکرونائزیشن میکانزم شامل ہیں، یا اسنکرونس ڈیزائن کے ذریعے ان کی ضرورت سے بچتا ہے۔ اس طرح کی ٹھوس انجینئرنگ کی ترقی کی ضرورت ہوگی اس سے پہلے کہ ریورسیبل کمپیوٹنگ پر نظریاتی تحقیق کا بڑا حصہ حقیقی کمپیوٹر ٹکنالوجی کو اس کی توانائی کی کارکردگی میں قریب قریب کی مختلف رکاوٹوں کو دور کرنے کے قابل بنانے میں عملی اطلاق تلاش کر سکے، بشمول وان نیومن-لینڈاؤر باؤنڈ۔ تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کی وجہ سے اسے صرف منطقی طور پر ریورسیبل کمپیوٹنگ کے استعمال سے روکا جا سکتا ہے۔ کسی کمپیوٹیشنل آپریشن کے منطقی طور پر ریورسیبل ہونے کا مطلب یہ ہے کہ آپریشن کی آؤٹ پٹ (یا حتمی حالت) کو ان پٹ (یا ابتدائی حالت) سے شمار کیا جا سکتا ہے، اور اس کے برعکس۔ ریورسیبل فنکشنز بائیجیکٹو ہوتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ ریورسیبل گیٹس (اور سرکٹس، یعنی۔ ایک سے زیادہ گیٹس کی ترکیبیں) عام طور پر آؤٹ پٹ بٹس کی طرح ان پٹ بٹس کی ایک ہی تعداد ہوتی ہے (یہ فرض کرتے ہوئے کہ تمام ان پٹ بٹس آپریشن کے ذریعے استعمال ہوتے ہیں، اور یہ کہ تمام ان پٹ/آؤٹ پٹ ریاستیں ممکن ہیں)۔ ایک انورٹر (NOT) گیٹ منطقی طور پر بدلنے کے قابل ہوتا ہے کیونکہ اسے کالعدم کیا جا سکتا ہے۔ تاہم این او ٹی گیٹ اس کے نفاذ کے لحاظ سے جسمانی طور پر قابل واپسی نہیں ہو سکتا ہے۔ خصوصی یا (XOR) گیٹ ناقابل واپسی ہے کیونکہ اس کے دو ان پٹ کو اس کے واحد آؤٹ پٹ سے غیر واضح طور پر دوبارہ تعمیر نہیں کیا جا سکتا، یا متبادل طور پر، کیونکہ معلومات کو مٹانا ناقابل واپسی نہیں ہے۔ تاہم، ایکس او آر گیٹ کے ایک ریورسیبل ورژن-کنٹرولڈ ناٹ گیٹ (سی این او ٹی)-کی تعریف ان پٹ میں سے ایک کو دوسرے آؤٹ پٹ کے طور پر محفوظ کرکے کی جا سکتی ہے۔ سی این او ٹی گیٹ کے تین ان پٹ ورژن کو ٹوفولی گیٹ کہا جاتا ہے۔ یہ اپنے دو ان پٹ a، b کو محفوظ رکھتا ہے اور تیسرے c کی جگہ لے لیتا ہے۔ کے ساتھ، یہ AND فنکشن دیتا ہے، اور اس کے ساتھ NOT فنکشن دیتا ہے۔ کیونکہ AND اور NOT ایک ساتھ ایک فعال طور پر مکمل سیٹ ہے، توفولی گیٹ عالمگیر ہے اور کسی بھی بولین فنکشن کو نافذ کر سکتا ہے (اگر کافی ابتدائی اینسیلا بٹس دیے جائیں)۔ اسی طرح، کمپیوٹیشن کے ٹورنگ مشین ماڈل میں، ایک ریورسیبل ٹورنگ مشین وہ ہوتی ہے جس کا ٹرانزیشن فنکشن الٹا ہوتا ہے، تاکہ ہر مشین کی حالت میں زیادہ سے زیادہ ایک پیشرو ہو۔ یویس لیسرف نے 1963 کے ایک مقالے میں ایک بدلنے والی ٹورنگ مشین کی تجویز پیش کی، لیکن بظاہر لینڈاؤر کے اصول سے بے خبر، اس موضوع کو مزید آگے نہیں بڑھایا، اور اپنے باقی کیریئر کا بیشتر حصہ نسلی لسانیات کے لیے وقف کر دیا۔ 1973 میں آئی بی ایم ریسرچ میں چارلس ایچ بینیٹ نے دکھایا کہ ایک عالمگیر ٹورنگ مشین کو منطقی اور تھرموڈینامک دونوں طرح سے بدلنے کے قابل بنایا جا سکتا ہے، اور اس وجہ سے اگر کافی آہستہ چلائے تو وہ اصولی طور پر فی یونٹ جسمانی توانائی کی صوابدیدی طور پر بڑی تعداد میں کمپیوٹیشن اقدامات انجام دینے کے قابل ہے۔ تھرموڈینامک طور پر ریورسیبل کمپیوٹر مفید رفتار سے مفید حسابات انجام دے سکتے ہیں، جبکہ فی منطقی مرحلے میں kT سے کافی کم توانائی کو ختم کر سکتے ہیں۔ 1982 میں ایڈورڈ فریڈکن اور ٹوماسو ٹوفولی نے بلیئرڈ بال کمپیوٹر کی تجویز پیش کی، جو کہ کلاسیکی سخت شعبوں کا استعمال کرتے ہوئے ایک ایسا طریقہ کار ہے جو صفر کی کھپت کے ساتھ محدود رفتار سے الٹ گنتی کرتا ہے، لیکن اس میں گیندوں کے راستوں کی کامل ابتدائی صف بندی کی ضرورت ہوتی ہے، اور بینیٹ کے جائزے میں ان "براؤنین" اور "بیلسٹک" نمونوں کا موازنہ الٹ گنتی کے لیے کیا گیا۔ توانائی سے موثر کمپیوٹیشن کے محرک کے علاوہ، ریورسیبل منطق گیٹس نے کرپٹوگرافی اور کمپیوٹر گرافکس میں بٹ ہیرا پھیری کی تبدیلیوں میں عملی بہتری پیش کی۔ 1980 کی دہائی سے، ریورسیبل سرکٹس نے کوانٹم الگورتھم کے اجزاء کے طور پر دلچسپی مبذول کروائی ہے، اور حال ہی میں فوٹوونک اور نینو کمپیوٹنگ ٹیکنالوجیز میں جہاں کچھ سوئچنگ ڈیوائسز کوئی سگنل گین پیش نہیں کرتے ہیں۔ ریورسیبل سرکٹس کے سروے، ان کی تعمیر اور اصلاح کے ساتھ ساتھ حالیہ تحقیقی چیلنجز بھی دستیاب ہیں۔ تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کی غیر یقینی تشریح پر بھی دیکھیں، ریورسیبل سیلولر آٹومیٹا حوالہ جات کی ایک قسم مزید پڑھنے فرینک، مائیکل پی۔ (2017)۔ "کمپیوٹنگ کا مستقبل اس کو بدلنے کے قابل بنانے پر منحصر ہے" (ویب)/"کمپیوٹنگ کو الٹا پھینکنا" (پرنٹ)۔ آئی ای ای ای سپیکٹرم۔ 54 (9): 32-37۔ دوئی: 10.1109/MSPEC.2017.8012237۔ پیرومالا کے ایس (2014)، انٹروڈکشن ٹو ریورسیبل کمپیوٹنگ، سی آر سی پریس۔ ریورسیبل کمپیوٹنگ پر تعارفی مضمون مائیکل پی فرینک کی ریورسیبل کمپیوٹنگ اشاعتوں پر پہلی بین الاقوامی ورکشاپ: سینڈیا (2015-)، ایف ایس یو (2004-'15)، یو ایف (1999-2004)، ایم آئی ٹی 1996-' 99)۔ "ریورسیبل کمپیوٹنگ کمیونٹی ویکی" کا انٹرنیٹ آرکائیو بیک اپ جس کا انتظام فرینک ریورسیبل کمپیوٹیشن ورکشاپ/کانفرنس سیریز سی سی سی ورکشاپ آن فزکس اینڈ انجینئرنگ ایشوز ان اڈیبیٹک/ریورسیبل کلاسیکل کمپیوٹنگ اوپن سورس ٹول کٹ فار ریورسیبل سرکٹ ڈیزائن کمپیوٹیشن تھرموڈینامکس کے ڈیجیٹل الیکٹرانکس ماڈل کے ذریعے کیا گیا تھا۔