اينترنت كوانتومي چيست؟ هرآنچه بايد درباره آينده شبكه‌هاي كوانتومي بدانيد

در نگاه اول، شايد اينترنت كوانتومي موضوعي علمي‌تخيلي به‌انديشه متخصصين برسد؛ اما ساخت شبكه‌هاي كوانتومي يكي از بلندپروازي‌هاي مهم بسياري از كشورهاي جهان است. اخيرا وزارت دفاع ايالات متحده (DoE) استراتژي گام‌به‌گام خود را براي تحقق رؤياي اينترنتي كوانتومي در چند سال آينده رونمايي كرد. ايالات متحده به‌همراه اتحاديه‌ي ‌اروپا و چين بر سر توسعه‌ي ارتباطات كوانتومي رقابت مي‌كنند. حال اين سؤال مطرح مي‌شود: اينترنت كوانتومي دقيقا چيست؟ چگونه كار مي‌كند؟ چه اهدافي خواهد داشت؟

اينترنت كوانتومي شبكه‌اي است كه امكان مبادله‌ي اطلاعات بين دستگاه‌هاي كوانتومي را با استفاده از قوانين عجيب مكانيك كوانتومي فراهم مي‌كند. ازانديشه متخصصين تئوري، اينترنت‌ كوانتومي به قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي دست خواهد يافت كه امكان اجراي آن‌ها در وب كنوني ناممكن است. در دنياي كوانتومي، داده‌ها در وضعيت كيوبيتي رمزنگاري مي‌شوند. وضعيت‌هاي كيوبيتي را مي‌توان در دستگاه‌هاي كوانتومي مثل كامپيوتر يا پردازنده‌ كوانتومي ايجاد كرد. به‌بيان ساده، اينترنت كوانتومي ارسال كيوبيت‌ها در شبكه‌اي متشكل از چند دستگاه كوانتومي است كه ازانديشه متخصصين فيزيكي، مستقل از يكديگر هستند. تمام اين ارتباطات به‌لطف خواص عجيب و منحصر‌به‌فرد وضعيت‌هاي كوانتومي محقق مي‌شوند.

در نگاه اول، شايد اينترنت كوانتومي مانند اينترنت استاندارد به‌انديشه متخصصين برسد؛ اما ارسال كيوبيت‌ها در كانالي كوانتومي به‌جاي كانالي كلاسيك به‌معني بهبود رفتار بيت‌ها در مقياس كوچك‌تر يا وضعيت‌هاي كوانتومي است. ناگفته نماند قوانين فيزيك كوانتومي كه روش انتقال داده در اينترنت كوانتومي را تعريف مي‌كنند، هنوز كاملا آشنا نيستند. درواقع، مي‌توان گفت كاملا غريبه و حتي گاهي ماوراءالطبيعه به‌انديشه متخصصين مي‌رسند. بنابراين، براي درك اكوسيستم كوانتومي اينترنت ۲/۰، بهتر است هرآنچه درباره‌ي محاسبات كلاسيك مي‌دانيد، فراموش كنيد؛ زيرا اينترنت كوانتومي چندان نمي‌تواند مرورگرهاي وب دلخواه شما را تداعي كند.

به‌طور خلاصه، نمي‌توان اطلاعات زيادي را با اينترنت كوانتومي مبادله كرد. براي مثال، حداقل براي چند دهه‌ي آينده نبايد انتظار برگزاري جلسات Zoom كوانتومي را داشته باشيد. كيوبيت‌ها در مركز ارتباطات كوانتومي قرار دارند و از قوانين بنيادي مكانيك كوانتوم استفاده مي‌كنند و رفتار آن‌ها با بيت‌هاي كلاسيك بسيار متفاوت است.

بيت كلاسيك براي رمزنگاري داده‌ها، تنها در يكي از دو حالت قرار مي‌گيرد. درست مانند كليد لامپ مي‌تواند خاموش يا روشن و زنده يا مرده و صفر يا يك باشد؛ اما كيوبيت‌ها رفتار متفاوتي دارند. درصورت برقراي شرايط ويژه، كيوبيت‌ها مي‌توانند هم‌زمان در دو حالت صفر و يك قرار بگيرند. چنين وضعيتي در دنياي كلاسيك وجود ندارد.

براي اندازه‌گيري عملكرد كيوبيت، بايد يك حالت را به آن نسبت داد و اينجا است كه تناقض به‌وجود مي‌آيد. اندازه‌گيري كيوبيت باعث مي‌شود از وضعيت دوگانه خارج شود و درست مانند بيت كلاسيك در حالت صفر يا يك قرار بگيرد. به اين پديده برهم‌نهي گفته مي‌شود كه يكي از هسته‌هاي اصلي مكانيك كوانتوم است. گفتني است نمي‌توان از كيوبيت‌ها براي انتقال داده‌هاي آشنايي مثل رايانامه يا پيام‌هاي واتساپ استفاده كرد؛ اما رفتار عجيب كيوبيت‌ها فرصت‌هاي مغتنمي در زمينه‌هاي ديگر فراهم خواهد كرد.

يكي از شاخه‌هاي عجيب مرتبط با كيوبيت‌ها امنيت است. در ارتباطات كلاسيك، اغلب داده‌ها ازطريق توزيع كليدي مشترك براي گيرنده و فرستنده و سپس استفاده از كليد مشترك براي رمزنگاري پيام ايمن مي‌شوند. سپس، گيرنده مي‌تواند از كليد براي رمزگشايي داده‌ها استفاده كند. امنيت اغلب ارتباطات كلاسيك كنوني برپايه‌ي الگوريتم توليد كليد است. دسترسي به اين كليد براي هكرها دشوار است؛ اما ناممكن نيست؛ به‌همين‌دليل، پژوهشگران به‌دنبال كوانتومي‌سازي ارتباطات هستند. اين مفهوم در مركز زمينه‌ي نوظهور امنيت سايبري به‌نام توزيع كليد كوانتومي (QKD) قرار دارد.

در روش QKD، دو طرف بخشي از داده‌هاي كلاسيك را با كليد كريپتوگرافي به كيوبيت‌ها رمزنگاري مي‌كنند. فرستنده كيوبيت‌ها را براي شخص ديگري ارسال و گيرنده هم براي دستيابي به مقادير كليد كيوبيت‌ها را اندازه‌گيري مي‌كند. اندازه‌گيري باعث فروپاشي وضعيت كيوبيت مي‌شود؛ اما خواندن مقدار در فرايند اندازه‌گيري اهميت زيادي دارد؛ درنتيجه كيوبيت براي انتقال مقدار كليد به متخصصده مي‌شود.

از همه مهم‌تر با QKD به‌راحتي مي‌توان استراق‌سمع شخص ثالث را در طول انتقال كشف كرد؛ زيرا متجاوز فقط با نگاه‌كردن به كيوبيت‌ها مي‌تواند باعث فروپاشي آن‌ها شود. اگر هكر از هر نقطه‌اي به كيوبيت‌ها نگاه كند، وضعيت كيوبيت‌ها به‌صورت خودكار تغيير مي‌كند. بد‌ين‌ترتيب، ردپايي از استراق‌سمع جاسوس به‌جا مي‌ماند؛ به‌همين‌دليل، رمزنگارها معمولا QKD را روشي كاملا ايمن مي‌دانند.

فناوري QKD هنوز در آغاز راه است. درحال‌حاضر، روش متداول ساخت QKD ارسال كيوبيت‌‌ها براي گيرنده ازطريق كابل‌هاي فيبر نوري در مسيري يك‌طرفه را شامل مي‌شود؛ اما اين كابل‌ها كارايي پروتكل را به‌طور چشمگيري محدود مي‌كنند. كيوبيت‌ها در كابل‌هاي فيبر نوري، گم يا پراكنده مي‌شوند؛ درنتيجه، به‌شدت در معرض خطا قرار مي‌گيرند و براي طي مسافت‌هاي طولاني دچار اشكال مي‌شوند. آزمايش‌هاي فعلي به مجموعه‌اي از صدها كيلومتر فيبر نوري محدود هستند. براي حل اين اشكال بايد خاصيت كوانتومي ديگر به‌نام درهم‌تنيدگي بين دو دستگاه را بهبود داد.

وقتي دو كيوبيت با يكديگر تعامل مي‌كنند و درهم‌تنيده مي‌شوند، خواص مشتركي پيدا مي‌كنند كه معمولا اين خواص به يكديگر وابسته هستند. وقتي كيوبيت‌ها در وضعيت درهم‌تنيده قرار دارند، هر تغيير در يكي از زوج ذرات به تغيير در ذره‌ي ديگر منجر مي‌شود؛ حتي اگر دو ذره ازانديشه متخصصين فيزيكي جدا از يكديگر باشند. وضعيت كيوبيت اول را مي‌توان با مطالعه رفتار همتاي درهم‌تنيده‌ي آن قرائت كرد. آلبرت اينشتين به اين حالت رفتار شبح‌وار مي‌گويد. درزمينه‌ي ارتباطات كوانتومي، از درهم‌تنيدگي مي‌توان براي ارسال اطلاعات از كيوبيتي به جفت درهم‌تنيده‌ي آن استفاده كرد و ديگر به برقراري كانال فيزيكي بين مبدأ و مقصد نيازي نيست.

طبق تعريف، تله‌پورت به‌معني نبود اتصال شبكه‌ي فيزيكي بين دستگاه‌هاي ارتباطي است؛ اما براي تله‌پورت در درجه‌ي اول به ايجاد و حفظ درهم‌تنيدگي نياز است. براي حمل QKD ازطريق درهم‌تنيدگي، ايجاد زيرساختي مناسب براي حمل زوج كيوبيت‌هاي درهم‌تنيده و سپس توزيع آن‌ها بين فرستنده و گيرنده ضروري است. بدين‌ترتيب، كانال تله‌پورتي براي مبادله‌ي كليدهاي رمزنگاري ايجاد مي‌شود. پس از ساخت كيوبيت‌هاي درهم‌تنيده، بايد نيمي از زوج كيوبيت را به گيرنده‌ي كليد ارسال كنيد. براي مثال، كيوبيت درهم‌تنيده مي‌تواند شبكه‌هاي فيبر نوري را طي كند؛ اما اين شبكه‌ها نمي‌توانند درهم‌تنيدگي را به‌اندازه‌‌ي ۹۶ كيلومتر حفظ كنند.

درهم‌تنيدگي كيوبيت‌ها را مي‌توان در مسافت‌هاي دوردست ازطريق ماهواره حفظ كرد؛ اما پوشش دستگاه‌هاي كوانتومي خارج از زمين پرهزينه است. هنوز براي ساخت شبكه‌هاي تله‌پورت كه بتوانند به شيوه‌اي مؤثر كيوبيت‌هاي سراسر جهان را به يكديگر وصل كنند، اشكالات متعددي پيش رو است. بااين‌حال با وجود شبكه‌ي درهم‌تنيده، تمام اين اشكالات حل خواهند شد؛ زيرا كيوبيت‌هاي درهم‌تنيده براي انتقال پيام به زيرساخت‌هاي فيزيكي نيازي نخواهند داشت.

در طول انتقال، كليد كوانتومي براي اشخاص ثالث نامرئي خواهند ماند و استراق‌سمع از آن ناممكن مي‌شود؛ درنتيجه، ارتباطي ايمن از مبدأ به مقصد شكل مي‌گيرد. چنين زيرساختي براي صنايع حساس مثل بانكداري يا خدمات درماني يا ارتباطات هوايي مناسب است. همچنين، دولت‌ها كه از اطلاعات محرمانه استفاده مي‌كنند، از اولين تطبيق‌دهندگان اين فناوري خواهند بود.

 شايد بپرسيد وقتي پژوهشگران مي‌توانند راه‌هاي ساده‌تري براي بهبود شكل عادي QKD پيدا كنند، چه نيازي به درهم‌تنيدگي است. براي مثال، تكراركنندگان كوانتومي مي‌توانند مسافت‌هاي زيادي را پوشش دهند و هم به درهم‌تنيدگي كيوبيت‌ها نيازي ندارند. باوجوداين، درهم‌تنيدگي قابليت‌هاي زيادي دارد. QKD تنها يكي از مثال‌هاي متداول و يكي از اهداف اينترنت كوانتومي است. از شبكه‌هاي درهم‌تنيده‌ مي‌توان به‌عنوان راهي امن براي ساخت خوشه‌هاي كوانتومي متشكل از كيوبيت‌هاي درهم‌تنيده استفاده كرد.

پژوهشگران براي اتصال به اينترنت كوانتومي به سخت‌افزار كوانتومي ويژه‌اي نيازي ندارند. درواقع، تنها يك پردازنده‌ي تك‌كيوبيتي هم مي‌تواند اتصال را برقرار كند؛ اما ازآنجاكه كامپيوترهاي كوانتومي قابليت‌هاي محدودي دارند، دانشمندان به‌دنبال راهي براي ساخت ابركامپيوترهاي كوانتومي هستند.

با اتصال تعداد زيادي از دستگاه‌هاي كوانتومي كوچك‌تر به يكديگر، اينترنت كوانتومي مي‌تواند مسائلي را حل كند كه حلشان تنها با يك كامپيوتر كوانتومي ناممكن است. اين روند سرعت تبادل داده‌هاي انبوه و اجراي آزمايش‌هاي عظيم ستاره‌شناسي و اكتشافات ماده و علوم زيستي را افزايش خواهد داد. به‌همين‌دليل، قبل از آنكه غول‌هاي فناوري مثل گوگل و IBM به برتري كوانتومي برسند، دانشمندان به‌دنبال پي‌بردن به مزاياي بيشتري از اين فناوري هستند. طبق تعريف برتري كوانتومي، كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند مسائلي را حل كند كه حل آن‌ها براي كامپيوترهاي كلاسيك ناممكن يا دشوار است.

درحال‌حاضر، پيشرفته‌ترين كامپيوترهاي كوانتومي گوگل و IBM با ۵۰ كيوبيت فعاليت مي‌كنند. اين ميزان براي اجراي محاسبات و حل مسائل پژوهشي ناكافي است. افزون‌براين، اتصال چنين دستگاه‌هايي ازطريق درهم‌تنيدگي كوانتومي مي‌تواند به خوشه‌هايي با هزاران كيوبيت منجر شود. براي بسياري از دانشمندان، ساخت چنين كامپيوتر‌هايي هدف نهايي پروژه‌ي اينترنت كوانتومي است.

شايد نتوان در آينده‌اي نزديك از اينترنت كوانتومي براي مبادله‌ي داده‌ها به‌شيوه‌ي معمول استفاده كرد. اينترنت كوانتومي در مقياس انبوه حداقل به چند دهه پيشرفت فناوري نياز دارد. با اينكه تعداد زيادي از دانشمندان رؤياي اينترنت كوانتومي را در سر مي‌پرورانند، فعلا نمي‌توان آن را در مقياس انبوه توسعه داد.

بسياري از پژوهش‌هاي كنوني ارتباطات كوانتومي به جست‌وجوي بهترين روش‌هاي رمزنگاري و فشرده‌سازي و انتقال اطلاعات ازطريق وضعيت‌هاي كوانتومي اختصاص يافته‌اند. حالت‌ها يا وضعيت‌هاي كوانتومي هم خاصيت‌هاي خارق‌العاده‌اي دارند و دانشمندان اطمينان دارند از يك گره مي‌توان براي تله‌پورت حجم زيادي از داده‌ها استفاده كرد.

چه نوع اطلاعاتي را مي‌توان با اينترنت كوانتومي ارسال كرد كه شباهت زيادي به رايانامه يا اطلاعات مشابه ندارد؟ درواقع، هدف اصلي اينترنت كوانتومي جايگزين‌كردن اينترنت كلاسيك نيست؛ بلكه پژوهشگران اميدوار هستند اينترنت كوانتومي دركنار اينترنت كلاسيك براي اهداف ويژه استفاده شود؛ زيرا اينترنت كوانتومي مي‌تواند وظايف را بسيار سريع‌تر از اينترنت كلاسيك انجام دهد؛ وظايفي كه اجراي آن‌ها حتي براي بهترين ابركامپيوترهاي كنوني هم دشوار است.

در وضعيت فعلي، دانشمندان روش درهم‌تنيدگي بين كيوبيت‌ها را مي‌دانند و با موفقيت درهم‌‌تنيدگي را براي QKD بهبود داده‌اند. چين يكي از سرمايه‌گذاران بلندمدت شبكه‌هاي كوانتومي است كه ركورد درهم‌تنيدگي ماهواره‌اي را شكسته است. اخيرا، دانشمندان چيني موفق شده‌اند درهم‌تنيدگي ايجاد كنند و به QKD در مسافت بي‌سابقه‌ي ۱۲۰۰ كيلومتري دست يابند.

مرحله‌ي بعدي افزايش مقياس زيرساخت‌ها است. تمام آزمايش‌هايي كه تاكنون انجام شده‌اند، تنها به دو نقطه‌ي انتهايي اختصاص يافته‌اند. دانشمندان پس از رسيدن به هدف ارتباطات نقطه‌به‌نقطه، مشغول كار روي شبكه‌‌اي با چند فرستنده و چند گيرنده هستند كه بتوانند ازطريق اينترنت كوانتومي در مقياس جهاني با يكديگر ارتباط برقرار كنند.

هدف اصلي دانشمندان يافتن روش‌هاي برتر براي توليد تعداد زيادي از كيوبيت‌هاي درهم‌تنيده در مسافت‌هاي دوردست و برقراري ارتباط هم‌زمان بين نقاط مختلف است. البته اجراي اين ايده در عمل بسيار دشوارتر است. براي مثال، به‌منظور حفظ درهم‌تنيدگي بين دستگاهي در چين و دستگاهي در ايالات متحده به گره‌اي واسطه و پروتكل‌هاي مسيريابي جديد نياز است.

در ايالات متحده، درهم‌تنيدگي ذرات ازطريق فيبر نوري در «حلقه‌ي كوانتومي» ۸۴ كيلومتري اطراف شيكاگو حفظ مي‌شود. براي اين مسافت به تكراركننده‌ي كوانتومي نيازي نيست و به‌زودي، اين شبكه به يكي از آزمايشگاه‌هاي DoE وصل خواهد شد. درمقابل ديگر در اروپا، اتحاديه‌ي اينترنت كوانتومي در سال ۲۰۱۸ براي توسعه‌ي استراتژي اينترنت كوانتومي تشكيل شد و سال گذشته، به درهم‌تنيدگي براي مسافت ۵۰ كيلومتري دست يافت.

در درجه‌ي اول، هدف اصلي و نهايي پژوهشگران كوانتومي توسعه‌ي مقياس شبكه‌ها در مقياس ملي است و روزي اين مقياس بين‌المللي خواهد شد. تعداد زيادي از دانشمندان معتقدند اين اتفاق بسيار زودتر از چند دهه رخ خواهد داد. بدون شك، اينترنت كوانتومي پروژه‌اي بلندمدت با موانع متخصص بسيار است؛ اما خروجي‌هاي غيرمنتظره‌اي هم از اين پروژه به‌دست خواهند آمد كه اين سفر علمي را ارزشمند خواهند كرد. اين پروژه با برنامه‌هاي بي‌شمار كوانتومي همراه خواهد شد كه درحال‌حاضر، شايد نتوان آن‌ها را دقيق پيش‌بيني كرد.