ارتباطات کوانتومی| اینترنتی سوار بر بسته‌های نور

خبرگزاری علم و فناوری آنا- هدا عربشاهی: بسیاری از آینده‌پژوهشان معتقدند که آینده اینترنت و ارتباطات رایانه‌ای از مسیر مکانیک کوانتومی می‌گذرد. امروزه، بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در سراسر جهان مشغول توسعه نمونه‌های اولیه‌ای از شبکه کوانتومی هستند. شبکه‌ای ارتباطی که از بعضی اصول فیزیک کوانتومی برای انتقال بسته‌های اطلاعاتی از یک سر جهان سوی دیگر دنیا استفاده می‌کند و به لطف این شبکه، در آینده‌ای نه‌چندان‌دور، داده‌های ما با سرعت نور در اینترنت حرکت خواهند کرد. مکانیک کوانتومی نظریه‌ای در فیزیک است که رفتار سامانه‌هایی را با ابعاد اتمی یا زیراتمی توصیف می‌کند که قوانین مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس برای آنها تأیید نشده است و تنها نظریه‌ای است که برپایه اصولی چون عدم‌قطعیت و  درهم‌تنیدگی و پدیده‌هایی چون کوانتیزه‌شدن، ماهیت دوگانه و تونل‌زنی می‌تواند رفتار ماده را در دنیای میکروسکوپی توضیح دهد. اما شبکه کوانتومی چیست و چگونه کار می‌کند؟

***

شبکه کوانتومی چیزی بیش‌از اشتقاق رمزنگاری کوانتومی نیست که به‌عنوان فناوری جدیدی از بستر ارتباطات کوانتومی و محاسبات کوانتومی استفاده می‌کند و دست‌کم از دیدگاه نظری اطمینان می‌دهد کاربرانی که خارج از مسیر ارتباطی میان دو گره شبکه‌ای هستند نمی‌توانند داده‌های مبادله‌شده میان این دو گره را رمزگشایی کنند. پس، می‌توان گفت که پیش‌از هرچیز شبکه‌های کوانتومی بسیار ایمن هستند و احتمال سرقت داده‌ها از آنها بسیار پایین است. داده‌های کوانتومی اساسا از فوتون‌هایی تشکیل شده‌اند که با بهره‌برداری از شیوه درهم‌تنیدگی کوانتومی- که به‌عنوان همبستگی کوانتومی هم شناخته می‌شود- می‌توانند اطلاعات مربوط به یک حالت کوانتومی خاص یک سامانه را منتقل کنند.

اساس ارتباطات در یک شبکه کوانتومی در گرو بیت کوانتومی یا کیوبیت است. کیوبیت‌ها بسته‌های اولیه اطلاعاتی هستند که تطبیق‌پذیری بیشتری نسبت به بیت‌های یک شبکه رایانه‌ای عادی دارند. درواقع، شبکه‌های رایانه‌ای معمولی فقط می‌توانند مقدار کاملا تعریف‌شده‌ای از اطلاعات را در بسته‌های متشکل از صفر و یک یا روشن و خاموش یا باز و بسته فرض کنند در‌حالی‌که کیوبیت‌ها قادرند این مقادیر را همپوشانی کنند و به عبارت دیگر هم‌زمان صفر و یک یا روشن و خاموش یا باز و بسته را شامل شوند. این عدم‌قطعیت اساسی به‌دلیل اصل فیزیک کوانتومی است که به اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ معروف است.

از این اصل، تناقض معروف گربه شرودینگر نشئت می‌گیرد که بیان می‌کند تا زمانی‌که درِ جعبه‌ای را که گربه‌ای داخل آن است باز نکنیم نمی‌توانیم بفهمیم که گربه زنده است یا مرده و بنابراین تا قبل‌از بازشدن در جعبه گربه هم می‌تواند زنده و هم می‌تواند مرده باشد. این ویژگی‌های شگرف به شبکه‌های کوانتومی اجازه می‌دهند تا اطلاعات را به شیوه‌ای بسیار امن‌تر انتقال دهند و حجم بیشتری از داده‌ها را نسبت به شبکه‌های سنتی پردازش کنند.

شبکه کوانتومی چگونه کار می‌کند؟

تبادل داده‌ها همان‌طورکه پیشتر ذکر شد با اصول درهم‌تنیدگی کوانتومی یا درهم‌تافتگی کوانتومی اداره می‌شود. در چنین سامانه‌ای داده‌ها با بهره‌برداری از خواص فیزیکی اتم‌ها منتقل می‌شوند. به‌ لطف اتم‌ها می‌توان دو حالت تحریک الکترونیکی بسیار متمایز را از هم تشخیص داد. به‌طوری‌که، وقتی یک اتم برای مثال با لیرز، تحریک می‌شود فوتونی آزاد می‌کند که این فوتون‌ حامل اطلاعات است و به محض برخورد با اتم دیگر، این اطلاعات را به اتم دوم منتقل می‌کند و این اتم به‌طور موثری وضعیت کوانتومی اتم اصلی را بازتولید می‌کند و به‌این‌ترتیب، فرایند انتقال داده‌ها پیش می‌رود.

نخستین آزمایش‌های شبکه‌های کوانتومی

دقیقاً همان‌گونه‌که درمورد اینترنت رخ داد، سازمان پروژه‌های پژوهشی پیشرفته دفاعی (دارپا) اولین نمونه‌های اولیه شبکه کوانتومی را هم به‌وجود آورد و پس‌از آن، سایر نهادها و موسسه‌های پژوهشی و دانشگاهی هم مشغول توسعه نمونه‌های مشابهی هستند. برای‌مثال، سال ۲۰۱۲ موسسه ماکس پلانک آلمان بااستفاده از شبکه کوانتومی موفق شد داده‌ها را به‌طول تقریبی ۶۰ متر انتقال دهد.

طی این آزمایش که نتایج آن در نشریه تخصصی نیچر منتشر شد، دانشمندان از دو اتم روبیدیم که در حفره‌های نوری بازتابنده به دام افتاده بودند استفاده کردند. دو اتم، درواقع دو گره شبکه، در عمل، ازطریق کابل فیبری نوری به هم متصل شدند که  فوتون‌های مسئول حمل اطلاعات در طول آن حرکت می‌کردند. با بهره‌برداری از اصول درهم تنیدگی کوانتومی، هربار که یکی از دو اتم با نور لیزر تحریک می‌شد، فوتونی ساطع می‌کرد که قادر به حمل کیوبیت اطلاعات مربوطه بود. به‌طورخاص، حالت قبطش یا پلاریزه‌شدن اتمِ به‌دام‌افتاده ازطریق فوتون بی هیچ تغییری به اتم دیگر منتقل می‌شد. از سوی‌دیگر، اتم دوم، زمانی‌که فوتون به آن برخورد می‌کرد، همان قطبش اتم اول را لحاظ و این‌گونه کیوبیتِ اطلاعات ارسالی را دریافت می‌کرد.

فیبر نوری دریچه‌ای برای شبکه کوانتومی

از نخستین آزمایش تا امروز، شبکه کوانتومی به‌لطف مطالعات و پژوهش‌های مختلفی که با هدف شناسایی بهترین مواد و امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای تبدیل این شبکه به واقعیتی روزمره انجام می‌شوند، روزبه‌روز شکل فزاینده‌ای به خود گرفته است. دانشمندان، با کمک شبکه‌های فیبر نوری که برای اینترنت عادی موجود است در تلاش‌اند تا بسته‌هایی از اطلاعات ذخیره‌شده در پالس‌های نور را به فواصل دورتر حمل کنند.

برای‌مثال، در اکتبر ۲۰۲۰، ادن فیگوروآ، استادیار فیزیک دانشگاه استونی‌بروک در آمریکا اعلام کرد که با موفقیت شبکه‌ای کوانتومی را توسعه داده است که قادر به انتقال بسته‌های اطلاعات در فواصل طولانی است. توسعه‌ای که می‌تواند گامی مهم برای ایجاد چیزی باشد که از آن به‌عنوان زیرساخت اینترنت کوانتومی یاد می‌شود. یعنی اینترنت سریع‌تر و ایمن‌تر دربرابر حملات هکرها.

فیگوروا و همکارانش شبکه‌ای کوانتومی را با انتقال اطلاعات ازطریق کابل‌های فیبر نوری ایجاد کردند و یک فوتون را فقط درمدت زمان چند میکروثانیه از دانشگاه استونی بروک به آزمایشگاه ملی بروکهوون که در فاصله حدود ۱۳۰ کیلومتری قرار دارد ارسال کردند.

 اما تیم فیگوروآ تنها گروهی نیست که استفاده از فیبر نوری را برای ایجاد شبکه کوانتومی بررسی می‌کند. در ژانویه ۲۰۲۱ مورد جدیدی، این‌بار در آزمایشی با همکاری آزمایشگاه فرمی (فرمی‌لب) و دانشگاه شیکاگو به ثبت رسید. در این آزمایش، پژوهشگران توانستند بسته‌های اطلاعاتی ذخیره‌شده در پالس‌های نور را ازطریق یک اتصال فیبر نوری به طول ۴۴ کیلومتر با بازده ۹۰ درصد انتقال دهند.