شاید به نظر برسد که همه اینها مفهومی علمی تخیلی باشند، اما ایجاد شبکه های کوانتومی یک آرزوی کلیدی برای بسیاری از کشورهای جهان است. به تازگی وزارت دفاع ایالات متحده (DoE) اولین طرح اصلی را در نوع خود منتشر کرده است و یک استراتژی گام به گام را برای تحقق رویای اینترنت کوانتومی، حداقل در یک شکل کاملاً ابتدایی طی چند سال آینده ارائه می دهد.
ایالات متحده برای نشان دادن علاقه شدید به مفهوم ارتباطات کوانتومی به اتحادیه اروپا و چین پیوست. اما اینترنت کوانتومی دقیقاً چیست، چگونه کار می کند و چه شگفتی هایی می تواند انجام دهد؟
اینترنت کوانتومی شبکه ای است که به دستگاه های کوانتومی اجازه می دهد برخی از اطلاعات را در محیطی که قوانین عجیب مکانیک کوانتوم را مهار می کند، تبادل کنند. از لحاظ تئوری، این قابلیت اینترنت کوانتومی، انجام آن با برنامه های وب امروزی غیرممکن است.در دنیای کوانتوم، داده ها را می توان در حالت کیوبیت رمزگذاری کرد، که می تواند در دستگاه های کوانتومی مانند رایانه کوانتومی یا پردازنده کوانتومی ایجاد شود. اینترنت کوانتومی، به زبان ساده، شامل ارسال کیوبیت به شبکه ای از چندین دستگاه کوانتومی است که از نظر فیزیکی جدا شده اند. مهمتر از همه، همه این اتفاقات به لطف خصوصیات مبهم منحصر به فرد در حالات کوانتومی اتفاق می افتد.
اینترنت کوانتومی ممکن است شبیه اینترنت استاندارد باشد. اما ارسال کیوبیت از طریق یک کانال کوانتومی به جای یک کانال کلاسیک، در واقع به معنای استفاده از رفتار ذرات است که در کوچکترین مقیاس خود گرفته می شوند – اصطلاحاً “حالت های کوانتومی”، که باعث لذت و دلهره دانشمندان برای دهه ها شده است.قوانین فیزیک کوانتوم، که زیربنای نحوه انتقال اطلاعات در اینترنت کوانتوم است، چیز ناآشنایی نیست. در واقع، آنها عجیب، ضد شهودی و حتی در بعضی مواقع به ظاهر فوق العاده هستند.بنابراین برای درک چگونگی عملکرد اکوسیستم کوانتومی اینترنت ۲٫۰، ممکن است بخواهید هر آنچه در مورد محاسبات کلاسیک می دانید را فراموش کنید. زیرا اینترنت کوانتومی زیادی یادآور مرورگر وب مورد علاقه شما نخواهد بود.
نکته اصلی در ارتباطات کوانتومی این واقعیت است که کیوبیت ها، که از قوانین اساسی مکانیک کوانتوم استفاده می کنند، بسیار متفاوت با بیت های کلاسیک رفتار می کنند.همانطور که داده ها را کد می کند ، یک بیت کلاسیک فقط می تواند یکی از دو حالت باشد. دقیقاً مانند سوئیچ چراغ باید روشن یا خاموش باشد ، و دقیقاً مانند گربه باید مرده یا زنده باشد ، کمی نیز باید ۰ یا ۱ باشد.اما کیوبیت اینگونه نیست. در عوض، کیوبیت ها بر هم سوار می شوند: می توانند به طور همزمان ۰ و ۱ باشند، در یک حالت کوانتومی خاص که در جهان کلاسیک وجود ندارد.
تناقض این است که صرف اندازه گیری یک کیوبیت به معنای اختصاص دادن حالت به آن است. یک کیوبیت اندازه گیری شده به طور خودکار از حالت دوگانه خود سقوط می کند و درست مانند یک بیت کلاسیک به ۰ یا ۱ سقوط می کند.کل این پدیده ، superposition نامیده می شود و در هسته مکانیک کوانتوم نهفته است.
جای تعجب نیست که نمی توان از کیوبیت ها برای ارسال نوع داده ای که ما با آن آشنا هستیم مانند ایمیل ها و پیام های WhatsApp استفاده کرد. اما رفتار عجیب کیوبیت ها باعث می شود فرصت های عظیمی در برنامه های کاربردی دیگر ایجاد شود.
یکی از جالب ترین راه هایی که محققان ، مجهز به کیوبیت ، در حال کشف آن هستند ، امنیت است.وقتی صحبت از ارتباطات کلاسیک می شود ، بیشتر داده ها با توزیع یک کلید مشترک به فرستنده و گیرنده و سپس استفاده از این کلید مشترک برای رمزگذاری پیام ، ایمن می شوند. سپس گیرنده می تواند از کلید خود برای رمزگشایی داده ها در پایان استفاده کند.امنیت بیشتر ارتباطات کلاسیک امروزه مبتنی بر الگوریتمی برای ایجاد کلیدهایی است که شکستن آن برای هکرها دشوار است، اما غیرممکن نیست. به همین دلیل محققان به دنبال “کوانتوم” ساختن این فرایند ارتباطی هستند. این مفهوم در هسته یک زمینه در حال ظهور امنیت سایبری به نام توزیع کلید کوانتومی (QKD) است.
QKD با رمزگذاری یکی از دو طرف با رمزگذاری کلید رمزنگاری روی کیوبیت ها، بخشی از داده های کلاسیک را رمزگذاری می کند. سپس فرستنده آن کیوبیت ها را به شخص دیگری که کیوبیت ها را اندازه گیری می کند تا مقادیر اصلی را بدست آورد، منتقل می کند.اندازه گیری باعث فروپاشی حالت کیوبیت می شود. اما این مقدار است که در طول فرایند اندازه گیری خوانده می شود که مهم است. کیوبیت، به نوعی، فقط برای انتقال مقدار اصلی وجود دارد.از همه مهمتر ، QKD به این معنی است که می توان فهمید که شخص ثالثی در هنگام انتقال از کیوبیت ها استراق سمع کرده است یا خیر، از آنجا که متجاوز فقط با مشاهده آن باعث فروپاشی کلید می شود.
اگر یک هکر در هر لحظه هنگام ارسال کیوبیت ها را نگاه کند، این امر به طور خودکار وضعیت کیوبیت ها را تغییر می دهد. یک جاسوس به ناچار نشانه ای از شنود را پشت سر می گذارد – به همین دلیل است که رمزنگاران معتقدند QKD “به طور قابل اثباتی” ایمن است.
فناوری QKD در مراحل اولیه است. روش “معمول” ایجاد QKD در حال حاضر شامل ارسال کیوبیت ها به روش یک جهته به گیرنده، از طریق کابل های فیبر نوری است. اما آنها به طور قابل توجهی اثربخشی پروتکل را محدود می کنند.کیوبیت ها می توانند به راحتی در یک کابل فیبر نوری گم شده یا پراکنده شوند، این بدان معنی است که سیگنال های کوانتومی بسیار مستعد خطا هستند و برای پیمودن مسافت های طولانی تلاش می کنند. در واقع آزمایشات فعلی محدوده صدها کیلومتر است.یک راهکار دیگر وجود دارد و آن راهی است که زیربنای اینترنت کوانتوم است: استفاده از ویژگی دیگری از کوانتوم به نام درهم تنیدگی، برای برقراری ارتباط بین دو دستگاه.
وقتی دو کیوبیت با هم تعامل داشته و درهم پیچیده می شوند، دارای خصوصیات خاصی هستند که به یکدیگر بستگی دارند. در حالی که کیوبیت ها در یک حالت درهم پیچیده قرار دارند ، هرگونه تغییر در یک ذره در جفت منجر به تغییر در ذره دیگر می شود ، حتی اگر از نظر فیزیکی از هم جدا شوند.بنابراین، وضعیت كوبیت اول را می توان با مشاهده رفتار همتای آن “خواند”. درست است: حتی آلبرت انیشتین همه چیز را “عملی شبح وار از راه دور” خواند.در زمینه ارتباطات کوانتومی، درهم تنیدگی می تواند برخی از اطلاعات را از یک کیوبیت به نیمه دیگر درهم پیچیده خود از راه دور انتقال دهد، بدون اینکه نیازی به کانال فیزیکی باشد که این دو را هنگام انتقال از بین ببرد.
مفهوم حمل و نقل از راه دور، به موجب تعریف، فقدان پل ارتباطی شبکه فیزیکی بین دستگاه های ارتباطی است. اما باقی مانده است که در وهله اول باید درهم تنیدگی ایجاد شود و سپس حفظ شود.برای انجام QKD با استفاده از درهم تنیدگی ، ایجاد زیرساخت های مناسب برای ایجاد جفت کیوبیت درهم پیچیده و سپس توزیع آنها بین فرستنده و گیرنده ضروری است. این کانال “teleportation” را ایجاد می کند که می توان کلید رمزنگاری را از طریق آن رد و بدل کرد.
به طور خاص، پس از تولید کیوبیت های درهم پیچیده ، شما باید نیمی از جفت را به گیرنده کلید ارسال کنید. به عنوان مثال یک کیوبیت درهم می تواند از طریق شبکه های فیبر نوری حرکت کند،. اما قادر به حفظ پیچیدگی بیش از حدود ۶۰ مایل نیستند.کیوبیت ها را می توان از طریق ماهواره در فواصل زیادی نیز در هم پیچید، اما پوشاندن سیاره با دستگاه های کوانتومی فضای بیرونی گران است.
بنابراین، هنوز چالشهای مهندسی بزرگی برای ایجاد “شبکه های حمل و نقل” در مقیاس بزرگ وجود دارد که می تواند کیوبیت ها را در سراسر جهان به هم پیوند دهد. هنگامی که شبکه درهم تنیدگی ایجاد شد، جادو می تواند شروع شود: کیوبیت های پیوندی دیگر برای انتقال پیام خود نیازی به عبور از هر نوع زیرساخت فیزیکی ندارند.در حین انتقال ، کلید کوانتومی در واقع برای اشخاص ثالث غیرقابل مشاهده است، رهگیری آن غیرممکن است و با اطمینان “از طریق یک نقطه انتهایی به نقطه دیگر” از طریق “teleport” می شود. این ایده به خوبی در صنایعی که با داده های حساس سروکار دارند مانند بانکداری، خدمات بهداشتی یا ارتباطات هواپیما طنین انداز خواهد شد و این احتمال وجود دارد که دولتهایی که اطلاعات محرمانه ای دارند نیز پذیرنده اولیه این فناوری باشند.
“چرا باید با عقده درگیر شد؟” ممکن است بپرسید از این گذشته، محققان می توانند به سادگی راه هایی برای بهبود شکل “معمول” QKD بیابند. به عنوان مثال تكرار كننده هاي كوانتومی می توانند مسير طولانی را در افزايش فاصله ارتباطی در كابل های فيبر نوری افزايش دهند ، بدون اينكه لازم باشد تا آنجا كه درهم كوبيدن كيوبيت ها باشند.
این بدون احتساب پتانسیل عظیمی است که درهم تنیدگی برای برنامه های دیگر می تواند داشته باشد. QKD متداول ترین نمونه ای است که اینترنت کوانتومی می تواند بدست آورد، زیرا در دسترس ترین کاربرد این فناوری است. اما امنیت تنها زمینه ای نیست که موجب تحریک محققان شود.همچنین می توان از شبکه درهم پیچیده ای که برای QKD استفاده می شود، برای ایجاد روشی مطمئن برای ایجاد خوشه های کوانتومی ساخته شده از کیوبیت های درهم پیچیده واقع در دستگاه های مختلف کوانتومی استفاده کرد.
محققان برای اتصال به اینترنت کوانتومی به یک قطعه سخت افزاری کوانتومی به ویژه قدرتمند احتیاج ندارند ، در واقع، حتی یک پردازنده تک کیوبیتی نیز می تواند کار را انجام دهد. اما دانشمندان انتظار دارند كه با بهم پیوند دادن دستگاههای كوانتومی كه تواناییهای محدودی دارند، بتوانند یك ابر رایانه كوانتومی ایجاد كنند تا از همه آنها پیشی بگیرد با اتصال بسیاری از دستگاههای کوانتومی کوچکتر به هم، بنابراین، اینترنت کوانتومی می تواند شروع به حل مشکلاتی کند که دستیابی به آنها در حال حاضر در یک رایانه کوانتومی غیرممکن است. این شامل تسریع در تبادل مقدار زیادی از داده ها و انجام آزمایش های بزرگ سنجش در نجوم، کشف مواد و علوم زندگی است.
به همین دلیل، دانشمندان متقاعد شده اند که ما می توانیم از مزایای اینترنت کوانتومی بهره مند شویم، حتی قبل از اینکه غول های فناوری مانند Google و IBM حتی به برتری کوانتومی دست یابند – لحظه ای که یک رایانه کوانتومی تنها مشکلی را حل می کند که برای یک کامپیوتر کلاسیک قابل حل نیست.پیشرفته ترین رایانه های کوانتومی گوگل و IBM در حال حاضر در حدود ۵۰ کیوبیت قرار دارند که به تنهایی بسیار کمتر از اندازه گیری مورد نیاز برای انجام محاسبات خارق العاده برای حل مشکلاتی است که تحقیقات کوانتومی امیدوار است بتواند آنها را برطرف کند.از طرف دیگر، اتصال چنین دستگاه هایی به یکدیگر از طریق درهم آمیختگی کوانتومی می تواند منجر به ایجاد خوشه هایی به ارزش چندین هزار کیوبیت شود. برای بسیاری از دانشمندان، ایجاد چنین قدرت محاسباتی در واقع هدف نهایی پروژه اینترنت کوانتومی است.
برای آینده قابل پیش بینی، از اینترنت کوانتومی نمی توان برای تبادل داده ها به روشی که در حال حاضر در لپ تاپ های خود انجام می دهیم استفاده کرد.
تصور یک اینترنت کوانتومی متداول و اصلی به پیش بینی پیشرفت چند دهه (یا بیشتر) فناوری نیاز دارد. بنابراین، همانقدر که دانشمندان آینده اینترنت کوانتومی را در سر می پرورانند، نمی توان بین پروژه فعلی و نحوه مرور روزانه وب، توازن ایجاد کرد.امروزه بسیاری از تحقیقات ارتباطات کوانتومی به کشف چگونگی کدگذاری، فشرده سازی و انتقال اطلاعات به لطف حالات کوانتومی اختصاص یافته است. ایالت های کوانتوم البته به دلیل تراکم فوق العاده معروف هستند و دانشمندان اطمینان دارند که یک گره می تواند داده های زیادی را از راه دور حمل کند.
اما نوع اطلاعاتی که دانشمندان به دنبال ارسال از طریق اینترنت کوانتومی هستند ارتباط چندانی با باز کردن صندوق ورودی و پیمایش از طریق ایمیل ها ندارد. و در حقیقت، جایگزینی اینترنت کلاسیک چیزی نیست که این فناوری در نظر گرفته است.بلکه محققان امیدوارند که اینترنت کوانتومی در کنار اینترنت کلاسیک قرار بگیرد و برای کاربردهای تخصصی تر مورد استفاده قرار گیرد. اینترنت کوانتومی وظایفی را انجام می دهد که می توان سریعتر از آن را در رایانه کوانتومی نسبت به رایانه های کلاسیک انجام داد، یا انجام آنها حتی در بهترین ابر رایانه هایی که امروزه وجود دارد بسیار دشوار است.
دانشمندان قبلاً می دانند که چگونه می توانند بین کیوبیت ها پیچیدگی ایجاد کنند و حتی با موفقیت از QKD استفاده کرده اند.چین، یک سرمایه گذار طولانی مدت در شبکه های کوانتومی، رکورد های درهم تنیدگی ناشی از ماهواره را شکسته است. دانشمندان چینی اخیراً درهم تنیدگی ایجاد کرده و QKD را در رکوردشکنی ۷۴۵ مایل به دست آوردند.
مرحله بعدی، افزایش سطح زیرساخت ها است. همه آزمایشات تاکنون فقط دو نقطه پایان را به هم متصل کرده اند. اکنون که ارتباط نقطه به نقطه حاصل شده است ، دانشمندان در حال ایجاد شبکه ای هستند که در آن چندین فرستنده و چندین گیرنده بتوانند از طریق اینترنت کوانتوم در مقیاس جهانی مبادله کنند.اساساً این ایده یافتن بهترین راه ها برای خنثی سازی کیوبیت های درهم تنیده در صورت تقاضا ، در مسافت های طولانی و بین بسیاری از نقاط مختلف به طور همزمان است. این گفته بسیار ساده تر از انجام است: به عنوان مثال ، حفظ درهم تنیدگی بین دستگاهی در چین و دیگری در ایالات متحده احتمالاً به یک گره میانی ، علاوه بر پروتکل های جدید مسیریابی ، احتیاج دارد.
و در وهله اول کشورها در مورد ایجاد پیچیدگی در انتخاب فناوری های مختلف هستند. در حالی که چین در حال انتخاب فناوری ماهواره است ، فیبر نوری روشی است که مورد استفاده DoE ایالات متحده قرار گرفته و اکنون در تلاش است تا شبکه ای از تکرار کننده های کوانتومی را ایجاد کند که می تواند فاصله جدا کننده کیوبیت های درهم را افزایش دهد.در ایالات متحده ، ذرات از طریق فیبر نوری بیش از ۵۲ مایل “حلقه کوانتوم” در حومه شیکاگو ، بدون نیاز به تکرار کننده های کوانتومی ، درگیر شده اند. این شبکه به زودی به یکی از آزمایشگاه های DoE متصل خواهد شد تا یک آزمایشگاه کوانتومی ۸۰ مایلی ایجاد کند.
در اتحادیه اروپا ، اتحاد اینترنت کوانتوم در سال ۲۰۱۸ برای توسعه استراتژی اینترنت کوانتومی تشکیل شد و سال گذشته بیش از ۳۱ مایل درهم تنیدگی را نشان داد.برای محققان کوانتوم ، هدف این است که ابتدا شبکه ها و حتی یک روز حتی در سطح بین المللی شبکه ها را به یک سطح ملی تقسیم کنیم. اکثریت قریب به اتفاق دانشمندان اتفاق نظر دارند که بعید است پیش از چند دهه این اتفاق بیفتد. اینترنت کوانتومی بدون شک پروژه ای بسیار طولانی مدت است که هنوز بسیاری از موانع فنی سر راه آن قرار دارند. اما نتایج غیرمنتظره ای که این فناوری به طور حتم در مسیر خود به بار خواهد آورد ، یک سفر علمی بسیار ارزشمند را رقم می زند ، همراه با انبوهی از کاربردهای عجیب و غریب کوانتومی ، که در حال حاضر ، حتی نمی توان پیش بینی کرد.
