6 گام تا تکامل اینترنت کوانتومی

گروهی از فیزیکدانان پیش‌بینی می‌کنند که «اینترنت کوانتومی» در آینده می‌تواند حتی پیش از رسیدن به بلوغ تکنولوژیکی، کاربردهای عملی خود را بیابد.

چنین شبکه‌ای که از اثرات منحصر‌‌به‌‌فرد فیزیک کوانتوم بهره می‌‌برد، از پایه و اساس با اینترنت کلاسیکی که امروزه از آن استفاده می‌کنیم، متفاوت است. گروه‌های پژوهشی مختلفی در سراسر جهان در حال برداشتن گام‌‌های اولیه در این عرصه هستند.در اولین گام‌‌ها، این شبکه درصدد تضمین یک حریم خصوصی و امنیت غیرقابل نفوذ در عرصه‌‌ی ارتباطات خواهد بود. در گام‌‌های بعدی یک شبکه کامل‌تر می‌تواند گستره‌ای از کاربردهای علمی و حتی فراتر از آن را پوشش دهد؛ کاربردهایی که در سیستم‌های کلاسیک غیرقابل پیاده‌‌سازی بودند؛ از جمله حسگرهای کوانتومی که می‌توانند امواج گرانشی را تشخیص دهند.

یک تیم برجسته از پژوهشگران اینترنت کوانتومی در دانشگاه فناوری دلفت هلند، در حال حاضر یک نقشه‌‌ی راه تهیه کرده‌‌اند که در آن، مراحل تکامل این شبکه و جزئیات چالش‌های (فناوری) موجود در هر مرحله تشریح شده است. پیش‌بینی‌ آن‌ها در مقاله‌‌ای از نیچر در ۱۸ اکتبر منتشر شده است.

تفاوت‌های کوانتومی

پژوهشگران استدلال می‌کنند که این فناوری، درواقع مکملی برای اینترنت فعلی خواهد بود و نه جایگزین آن. این فناوری در نهایت هم می‌تواند مورد استفاده‌‌ی کاربران بزرگی مانند آزمایشگاه‌های دانشگاهی قرار گیرد و هم مصرف‌‌کنندگان شخصی؛ اگرچه آن‌ها هنوز تاریخ مشخصی را برای رونمایی از این تکنولوژی تعیین نکرده‌‌اند.

پژوهشگران می‌‌گویند که این تکنولوژی کاملاً با رایانه‌های کوانتومی متفاوت است. رایانه‌های کوانتومی یک تکنولوژی پیشرفته‌‌ی دیگر است که فیزیکدانان در حال کار بر روی آن هستند و هدف از آن، ساخت ماشین‌هایی است که می‌توانند بهتر از رایانه‌های کلاسیک عمل کنند.

فیزیکدان نظری استفانی وهنر به‌‌همراه دیوید الکوس و رونالد هانسون، همکاران دیگر خود در دانشگاه دلفت، در نگارش این مقاله همکاری داشته است. او می‌گوید:

در حوزه‌‌ی محاسبات کوانتومی، آنچه که انتظار ما را می‌کشد، خارج از این دو نخواهد بود: «همه‌چیز» یا «هیچ‌چیز».

استفانی بارز، یک فیزیکدان کوانتوم در دانشگاه اشتوتگارت آلمان، با این نظر موافق است. او و دیگران می‌گویند که پیش‌بینی اینکه کدام یک از این دو تکنولوژی، زودتر رونمایی خواهد شد، دشوار است: یک اینترنت کوانتومی قابل‌قبول یا یک رایانه‌ی کوانتومی کاربردی؟

ولی بارز می‌‌گوید که شبکه‌های کوانتومی یک مزیت بزرگ دارند و آن از این قرار است که چنین شبکه‌ای می‌تواند گام به گام ساخته شود و در هر گام می‌توان عملکرد متفاوتی را به آن افزود.

نقشه‌‌ی راه به دنبال ایجاد یک زبان مشترک برای پژوهشگران با تخصص‌‌های متفاوت، از جمله فناوری اطلاعات، علوم رایانه، مهندسی و فیزیک است .

هانسون، یک فیزیکدان تجربی است که هدایت گروه در دلفت را برای ساخت مدلی از اینترنت کوانتومی که چهار شهر هلندی را به هم پیوند می‌دهد، به عهده دارد. وی بر این باور است که عموماً مردم تصور کاملاً متفاوتی از شبکه‌های کوانتومی دارند.

رادنی ون میتر، یک مهندس شبکه‌‌ی کوانتومی در دانشگاه کِیو از توکیو می‌گوید:

این نقشه‌‌ی راه به ما کمک می‌کند تا اهداف این حوزه را روشن نکنیم  و برای ما به‌‌منزله‌‌ی یک فرهنگ لغت است تا  آنچه را که در حال توسعه‌‌ی آن هستیم، درک کنیم.  تعیین کاربری‌‌ها به‌‌وسیله‌‌ی این سند، می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا پیشنهادهای خود را برای سرمایه‌گذاران بالقوه  شرح دهند.

۶ مرحله‌ برای اینترنت کوانتومی

شبکه‌های کوانتومی و محاسبات کوانتومی، مفاهیم و تکنیک‌های مشترک بسیاری دارند. هر دو از پدیده‌هایی استفاده می‌‌کنند که در فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیستند؛ برای مثال، یک ذره‌‌ی کوانتومی مانند یک الکترون یا فوتون نه تنها می‌تواند در یکی از دو حالت چرخش در جهت حرکت عقربه‌های ساعت یا خلاف آن باشد؛ بلکه می‌‌تواند در وضعیتی ترکیبی از هر دو حالت، به‌‌نام «برهم‌نهی کوانتومی» نیز باشد. همچنین دو ذره می‌توانند با یکدیگر «درهم‌تنیدگی کوانتومی» نیز داشته باشند؛ یعنی دارای یک حالت کوانتومی مشترک باشند. این پدیده باعث می‌شود که این دو ذره، حتی در شرایطی که در فاصله‌ی زیادی از یکدیگر هستند؛ باز هم به‌‌گونه‌‌ای در هماهنگی با یکدیگر رفتار کنند (مثلاً چرخش در خلاف جهت یکدیگر).

محققان شش مرحله‌‌ از تکامل اینترنت کوانتومی را تعریف کرده‌اند که این تکنولوژی قادر خواهد بود در آینده به آن‌‌ دست یابد و طبعا کاربران نیز قادر خواهند بود از قابلیت‌‌های حاصل از هر مرحله، بهره‌مند شوند.

مرحله‌‌ی صفر: شبکه‌‌ی مورد اعتماد

کاربران در این مرحله می‌توانند کدهای تولیدشده‌ی کوانتومی را دریافت کنند؛ اما نمی‌توانند حالات کوانتومی را ارسال یا دریافت کنند. هر جفت کاربر نهایی می‌توانند کلید رمزنگاری‌‌شده را به اشتراک بگذارند (با این حال، سرویس‌‌دهنده نیز از این کلید مطلع خواهد بود).

نام‌گذاری مرحله‌‌ی صفر از آن جهت است که این مرحله، بیانگر یک اینترنت کوانتومی واقعی نیست؛ بلکه یک شبکه است که کاربران را قادر می‌سازد تا یک کلید رمزنگاری مشترک بسازند و به‌‌وسیله‌‌ی آن، بتوانند داده‌های کلاسیک خود را به‌طور ایمن به اشتراک بگذارند. فیزیک کوانتوم تنها در پشت‌صحنه حضور دارد؛ بدین صورت که سرویس‌‌دهنده از آن برای ایجاد کلید استفاده می‌کند. مشکل چنین سازوکاری این است که سرویس‌‌دهنده نیز از این کلید آگاهی دارد و این یعنی که کاربران باید به او اعتماد کنند. این نوع شبکه هم اکنون در چین راه‌‌اندازی شده است که بیش از ۲۰۰۰ کیلومتر وسعت دارد و شهرهای اصلی از جمله پکن و شانگهای را به یکدیگر متصل می‌کند.

مرحله‌‌ی ۱: آماده‌سازی و سنجش

در این مرحله، هر جفت کاربر نهایی حالات کوانتومی را دریافت و اندازه‌گیری می‌کنند (اما اینجا پدیده‌‌ی درهم‌‌تنیدگی کوانتومی ضرورتاً دخیل نیست). دو کاربر نهایی می‌توانند یک کلید اختصاصی را که تنها خود می‌‌دانند، به اشتراک بگذارند. همچنین، کاربران می‌توانند رمز عبور خود را بدون خطر افشا شدن، اعتبارسنجی کنند.

اینجا زمانی است کاربران شروع به وارد شدن به بازی کوانتومی خواهند کرد که در آن یک فرستنده (معمولاً برای فوتون‌ها)، حالات کوانتومی ایجاد می‌کند. حالات تولید‌‌شده به‌‌وسیله‌‌ی یک فیبر نوری یا از طریق یک پالس لیزری، به یک گیرنده فرستاده می‌شوند. در این مرحله، هر جفت کاربر قادر خواهند بود یک کلید رمزنگاری خصوصی ایجاد کنند؛ به­‌نحوی که تنها خودشان از آن مطلع باشند.

این تکنولوژی همچنین کاربران را قادر می‌سازد که یک گذرواژه‌‌ی کوانتومی را به دستگاه‌‌هایی نظیر ATM ارسال کنند. دستگاه نیز می‌تواند رمز عبور را بدون آنکه از آن مطلع شود (یا امکان سرقت رمز را داشته باشد)، اعتبارسنجی کند.

وهنر می‌گوید مرحله ۱ هنوز در مقیاس بزرگ آزمایش نشده است؛ اما در حال حاضر از لحاظ فناوری، قابلیت پیاده‌‌سازی در شهرهای کوچک را (هرچند با سرعتی بسیار کم) خواهد داشت. در سال ۲۰۱۷، گروهی به رهبریپان جیان ویز دانشگاه علم و فناوری چین در هفئی، رکورد جهانی را برای این نوع انتقال داده به ثبت رساندند. آنها موفق شدند از طریق یک ماهواره، دو آزمایشگاه را با فاصله‌‌ای بیش از ۱۲۰۰ کیلومتر، به یکدیگر متصل کنند.

مرحله‌‌ی ۲: شبکه‌‌های توزیع درهم‌‌تنیده

در این مرحله، هر جفت کاربر نهایی می‌‌توانند حالات درهم‌‌تنیده‌‌ را به‌دست آورند (اما نمی‌‌توانند آن را ذخیره کنند). این به معنای بالاترین سطح ممکن از کدگذاری کوانتومی خواهد بود.

اینترنت کوانتومی موفق می‌‌شود که پدیده‌‌ی قدرتمند درهم‌‌تنیدگی را تحت کنترل درآورد. در این مرحله، اولین هدف، کدگذاری کوانتومی به‌­روشی غیرقابل نفوذ است. بسیاری از تکنیک‌‌هایی که در این مرحله به آن نیاز داریم، همین حالا هم (حداقل به‌‌صورت آزمایشگاهی) در دسترس است.

مرحله‌‌ی ۳: شبکه‌‌های حافظه‌‌ی کوانتومی

هر جفت کاربر نهایی خواهند توانست بیت‌‌های کوانتومی (واحد سنجش اطلاعات کوانتومی) درهم‌تنیده را به‌دست آورده و ذخیره‌‌سازی کنند. همچنین آنها قادر خواهند بود اطلاعات کوانتومی را به‌‌صورت آنی برای یکدیگر مخابره کنند. شبکه‌‌ها نیز قادر به پردازش کوانتومی ابری خواهند بود.

مرحله‌‌ی ۴ و ۵: شبکه‌های محاسباتی کوانتومی

با پایان این مراحل، تمام دستگاه‌ها روی شبکه،نوعی رایانه‌ی کوانتومی تکامل‌‌یافته خواهند بود (قابلیت تصحیح خطا هنگام انتقال داده). این مراحل، سطوح مختلفی از محاسبات کوانتومی توزیع‌شده و نیز حسگرهای کوانتومی را با قابلیت کاربرد در آزمایش‌های علمی فراهم می‌کند.

در مراحل ۳ تا ۵ برای اولین بار به هر دو کاربر، امکان ذخیره و تبادل بیت کوانتومی یا کیوبیت داده می‌‌شود. کیوبیت‌‌ها در واقع مشابه صفر و یک هستند؛ اما می‌توانند به‌‌طور همزمان، در وضعیت برهم‌‌نهی از صفر و یک نیز باشند. کیوبیت‌‌ها، اساس محاسبات کوانتومی نیز هستند. تعدادی از آزمایشگاه‌ها در دانشگاه‌ها و نیز شرکت‌های بزرگ مانند IBM و گوگل، به‌‌طور فزاینده‌ای در تلاش برای ساخت رایانه‌های کوانتومی پیچیده هستند؛ امروزه پیشرفته‌ترین دستگاه‌‌های فعلی می‌‌توانند چند ده کیوبیت را در خود نگه‌‌داری کند.

رسیدن به مرحله‌‌ی نهایی، مستلزم چندین پیشرفت غیرمنتظره است. گروه پژوهشی هانسون، اکنون در خط مقدم این تلاش‌ها قرار دارد. آنها می‌‌کوشند تا اولین تکرارگر کوانتومی را بسازند؛ وسیله‌ای که می‌تواند کیوبیت‌‌ها را در فواصلی بسیار دور، مجبور به رفتار درهم‌تنیده کند.

از ساعت‌‌های کوانتومی تا صندوق‌‌های رأی‌گیری

اولین کسانی که از مزایای این شبکه‌‌های پیشرفته منتفع خواهند شد، دانشمندان خواهند بود. با این شبکه‌‌ها،  آزمایشگاه‌‌ها خواهند توانست  از راه دور به اولین رایانه‌های کوانتومی متصل شوند یا اینکه ماشین‌‌ها می‌‌توانند به‌‌عنوان یک رایانه‌‌ی واحد با یکدیگر کار کنند.

پس از آن، دانشمندان خواهند توانست از این سیستم‌ها برای انجام آزمایش‌هایی استفاده کنند که پیش از این، انجام آنها با ماشین‌های کلاسیک امکان‌‌پذیر نبود؛ مانند شبیه‌سازی مولکول‌ها و مواد در فیزیک کوانتوم. شبکه‌های ساعت‌‌های کوانتومی می‌توانند به‌‌طور چشمگیری دقت اندازه‌گیری‌ در پدیده‌هایی مانند امواج گرانشی را افزایش دهند و تلسکوپ‌های بزرگ نوری می‌‌توانند از توان کیوبیت‌‌ها در جهت افزایش کیفیت تصویربرداری خود استفاده کنند.

اما ممکن است در خارج از حوزه‌‌ی علم نیز کاربری‌‌هایی وجود داشته باشد. در جریان یک انتخابات، اینترنت کوانتومی مرحله‌‌ی پنجمی می‌تواند به رأی‌دهندگان اجازه دهد که نه تنها یک کاندیدا را انتخاب کنند؛ بلکه امکان «برهم نهی نامزدها» نیز وجود خواهد داشت؛ به این معنی که سیستم رأی‌گیری، گزینه‌‌های دوم مورد علاقه‌‌ی رأی‌دهندگان را نیز پوشش دهد.

نیکول یانگر هالپرن، فیزیکدان مکانیک کوانتومی از مرکز اخترفیزیک کمبریج در ماساچوست می‌‌گوید که رأی‌دهندگان کوانتومی می‌توانند از طرح‌های استراتژیک رأی‌دهی استفاده کنند که پیش از آن، رأی‌دهندگان کلاسیک نمی‌توانستند از آن بهره‌ای ببرند. تکنیک‌های کوانتومی ممکن است به گروه‌های بزرگ‌تر در هماهنگی و رسیدن به یک اجماع نظر در موضوعات مختلف کمک کند؛ موضوعاتی نظیر اعتبار بخشیدن به ارزهای الکترونیکی مثل بیت‌‌کوین.

لیانگ جیان، یک فیزیکدان نظری دردانشگاه یل در نیوهیون از ایالت کنتیکت می‌گوید که این نقشه‌‌ی راه برای جامعه‌‌ی بزرگ‌‌ کوانتومی مفید خواهد بود؛ با این حال، بیشتر روی انواعی از تکنولوژی تمرکز دارد که گروه دلفت تعیین کرده است. به‌عنوان مثال، اثری که در سال گذشته توسط جیانگ و همکارانش در حوزه‌‌ی نظری منتشر شد، نشان می‌دهد که در شبکه‌های کوچک یا متوسط، می‌توان به‌‌جای پالس‌های لیزری از امواج مایکروویو استفاده کرد.

پژوهشگران درمورد اینکه  آیا این برنامه‌ها واقعاً مفید خواهند بود یا خیر، به اجماع نرسیده‌‌اند. حتی مشخص نیست که آیا پیشرفت اینترنت کوانتومی به‌‌اندازه‌‌ای خواهد بود که بتواند به‌‌صورت وسیع، در دسترس عموم قرار گیرد. اما برخی از آنها، همچنان خوش‌‌بین هستند.

ورنر می‌‌گوید:

 من هیچ تردیدی ندارم که به چنین روزی خواهیم رسید؛ هرچند ممکن است زمان زیادی طول بکشد.