۶ گام تا تكامل اينترنت كوانتومي

گروهي از فيزيكدانان پيش‌بيني مي‌كنند كه «اينترنت كوانتومي» در آينده مي‌تواند حتي پيش از رسيدن به بلوغ تكنولوژيكي، متخصصدهاي عملي خود را بيابد.

چنين شبكه‌اي كه از اثرات منحصر‌‌به‌‌فرد فيزيك كوانتوم بهره مي‌‌برد، از پايه و اساس با اينترنت كلاسيكي كه امروزه از آن استفاده مي‌كنيم، متفاوت است. گروه‌هاي پژوهشي مختلفي در سراسر جهان در حال برداشتن گام‌‌هاي اوليه در اين عرصه هستند.در اولين گام‌‌ها، اين شبكه درصدد تضمين يك حريم خصوصي و امنيت غيرقابل نفوذ در عرصه‌‌ي ارتباطات خواهد بود. در گام‌‌هاي بعدي يك شبكه كامل‌تر مي‌تواند گستره‌اي از متخصصدهاي علمي و حتي فراتر از آن را پوشش دهد؛ متخصصدهايي كه در سيستم‌هاي كلاسيك غيرقابل پياده‌‌سازي بودند؛ از جمله حسگرهاي كوانتومي كه مي‌توانند امواج گرانشي را تشخيص دهند.

يك تيم برجسته از پژوهشگران اينترنت كوانتومي در دانشگاه فناوري دلفت هلند، در حال حاضر يك نقشه‌‌ي راه تهيه كرده‌‌اند كه در آن، مراحل تكامل اين شبكه و جزئيات چالش‌هاي (فناوري) موجود در هر مرحله تشريح شده است. پيش‌بيني‌ آن‌ها در مقاله‌‌اي از نيچر در ۱۸ اكتبر منتشر شده است.

پژوهشگران استدلال مي‌كنند كه اين فناوري، درواقع مكملي براي اينترنت فعلي خواهد بود و نه جايگزين آن. اين فناوري در نهايت هم مي‌تواند مورد استفاده‌‌ي متخصصان بزرگي مانند آزمايشگاه‌هاي دانشگاهي قرار گيرد و هم مصرف‌‌كنندگان شخصي؛ اگرچه آن‌ها هنوز تاريخ مشخصي را براي رونمايي از اين تكنولوژي تعيين نكرده‌‌اند.

پژوهشگران مي‌‌گويند كه اين تكنولوژي كاملاً با رايانه‌هاي كوانتومي متفاوت است. رايانه‌هاي كوانتومي يك تكنولوژي پيشرفته‌‌ي ديگر است كه فيزيكدانان در حال كار روي آن هستند و هدف از آن، ساخت ماشين‌هايي است كه مي‌توانند بهتر از رايانه‌هاي كلاسيك عمل كنند.

فيزيكدان انديشه متخصصيني استفاني وهنر به‌‌همراه ديويد الكوس و رونالد هانسون، همكاران ديگر خود در دانشگاه دلفت، در نگارش اين مقاله همكاري داشته است. او مي‌گويد:

در حوزه‌‌ي محاسبات كوانتومي، آنچه كه انتظار ما را مي‌كشد، خارج از اين دو نخواهد بود: «همه‌چيز» يا «هيچ‌چيز».

 ولي بارز مي‌‌گويد كه شبكه‌هاي كوانتومي يك مزيت بزرگ دارند و آن از اين قرار است كه چنين شبكه‌اي مي‌تواند گام به گام ساخته شود و در هر گام مي‌توان عملكرد متفاوتي را به آن افزود.

نقشه‌‌ي راه به دنبال ايجاد يك زبان مشترك براي پژوهشگران با تخصص‌‌هاي متفاوت، از جمله فناوري اطلاعات، علوم رايانه، مهندسي و فيزيك است .

هانسون، يك فيزيكدان تجربي است كه هدايت گروه در دلفت را براي ساخت مدلي از اينترنت كوانتومي كه چهار شهر هلندي را به هم پيوند مي‌دهد، به عهده دارد. وي بر اين باور است كه عموماً مردم تصور كاملاً متفاوتي از شبكه‌هاي كوانتومي دارند.

رادني ون ميتر، يك مهندس شبكه‌‌ي كوانتومي در دانشگاه كِيو از توكيو مي‌گويد:

اين نقشه‌‌ي راه به ما كمك مي‌كند تا اهداف اين حوزه را روشن نكنيم  و براي ما به‌‌منزله‌‌ي يك فرهنگ لغت است تا  آنچه را كه در حال توسعه‌‌ي آن هستيم، درك كنيم.  تعيين متخصصي‌‌ها به‌‌وسيله‌‌ي اين سند، مي‌تواند به پژوهشگران كمك كند تا پيشنهادهاي خود را براي سرمايه‌گذاران بالقوه  شرح دهند.

محققان شش مرحله‌‌ از تكامل اينترنت كوانتومي را تعريف كرده‌اند كه اين تكنولوژي قادر خواهد بود در آينده به آن‌‌ دست يابد و طبعا متخصصان نيز قادر خواهند بود از قابليت‌‌هاي حاصل از هر مرحله، بهره‌مند شوند.

 كاربران در اين مرحله مي‌توانند كدهاي توليدشده‌ي كوانتومي را دريافت كنند؛ اما نمي‌توانند حالات كوانتومي را ارسال يا دريافت كنند. هر جفت متخصص نهايي مي‌توانند كليد رمزنگاري‌‌شده را به اشتراك بگذارند (با اين حال، سرويس‌‌دهنده نيز از اين كليد مطلع خواهد بود).

نام‌گذاري مرحله‌‌ي صفر از آن جهت است كه اين مرحله، بيانگر يك اينترنت كوانتومي واقعي نيست؛ بلكه يك شبكه است كه متخصصان را قادر مي‌سازد تا يك كليد رمزنگاري مشترك بسازند و به‌‌وسيله‌‌ي آن، بتوانند داده‌هاي كلاسيك خود را به‌طور ايمن به اشتراك بگذارند. فيزيك كوانتوم تنها در پشت‌صحنه حضور دارد؛ بدين صورت كه سرويس‌‌دهنده از آن براي ايجاد كليد استفاده مي‌كند. اشكال چنين سازوكاري اين است كه سرويس‌‌دهنده نيز از اين كليد آگاهي دارد و اين يعني كه متخصصان بايد به او اعتماد كنند. اين نوع شبكه هم اكنون در چين راه‌‌اندازي شده است كه بيش از ۲۰۰۰ كيلومتر وسعت دارد و شهرهاي اصلي از جمله پكن و شانگهاي را به يكديگر متصل مي‌كند.

 در اين مرحله، هر جفت متخصص نهايي حالات كوانتومي را دريافت و اندازه‌گيري مي‌كنند (اما اينجا پديده‌‌ي درهم‌‌تنيدگي كوانتومي ضرورتاً دخيل نيست). دو متخصص نهايي مي‌توانند يك كليد اختصاصي را كه تنها خود مي‌‌دانند، به اشتراك بگذارند. همچنين، متخصصان مي‌توانند رمز عبور خود را بدون خطر افشا شدن، اعتبارسنجي كنند.

اينجا زماني است متخصصان شروع به وارد شدن به بازي كوانتومي خواهند كرد كه در آن يك فرستنده (معمولاً براي فوتون‌ها)، حالات كوانتومي ايجاد مي‌كند. حالات توليد‌‌شده به‌‌وسيله‌‌ي يك فيبر نوري يا از طريق يك پالس ليزري، به يك گيرنده فرستاده مي‌شوند. در اين مرحله، هر جفت متخصص قادر خواهند بود يك كليد رمزنگاري خصوصي ايجاد كنند؛ به­‌نحوي كه تنها خودشان از آن مطلع باشند.

وهنر مي‌گويد مرحله ۱ هنوز در مقياس بزرگ آزمايش نشده است؛ اما در حال حاضر از لحاظ فناوري، قابليت پياده‌‌سازي در شهرهاي كوچك را (هرچند با سرعتي بسيار كم) خواهد داشت. در سال ۲۰۱۷، گروهي به رهبري پان جيان وي از دانشگاه علم و فناوري چين در هفئي، ركورد جهاني را براي اين نوع انتقال داده به ثبت رساندند. آن‌ها موفق شدند از طريق يك ماهواره، دو آزمايشگاه را با فاصله‌‌اي بيش از ۱۲۰۰ كيلومتر، به يكديگر متصل كنند.

در اين مرحله، هر جفت متخصص نهايي مي‌‌توانند حالات درهم‌‌تنيده‌‌ را به‌دست آورند (اما نمي‌‌توانند آن را ذخيره كنند). اين به معناي بالاترين سطح ممكن از كدگذاري كوانتومي خواهد بود.

اينترنت كوانتومي موفق مي‌‌شود كه پديده‌‌ي قدرتمند درهم‌‌تنيدگي را تحت كنترل درآورد. در اين مرحله، اولين هدف، كدگذاري كوانتومي به‌­روشي غيرقابل نفوذ است. بسياري از تكنيك‌‌هايي كه در اين مرحله به آن نياز داريم، همين حالا هم (حداقل به‌‌صورت آزمايشگاهي) در دسترس است.

هر جفت متخصص نهايي خواهند توانست بيت‌‌هاي كوانتومي (واحد سنجش اطلاعات كوانتومي) درهم‌تنيده را به‌دست آورده و ذخيره‌‌سازي كنند. همچنين آن‌ها قادر خواهند بود اطلاعات كوانتومي را به‌‌صورت آني براي يكديگر مخابره كنند. شبكه‌‌ها نيز قادر به پردازش كوانتومي ابري خواهند بود.

با پايان اين مراحل، تمام دستگاه‌ها روي شبكه،نوعي رايانه‌ي كوانتومي تكامل‌‌يافته خواهند بود (قابليت تصحيح خطا هنگام انتقال داده). اين مراحل، سطوح مختلفي از محاسبات كوانتومي توزيع‌شده و نيز حسگرهاي كوانتومي را با قابليت متخصصد در آزمايش‌هاي علمي فراهم مي‌كند.

رسيدن به مرحله‌‌ي نهايي، مستلزم چندين پيشرفت غيرمنتظره است. گروه پژوهشي هانسون، اكنون در خط مقدم اين تلاش‌ها قرار دارد. آن‌ها مي‌‌كوشند تا اولين تكرارگر كوانتومي را بسازند؛ وسيله‌اي كه مي‌تواند كيوبيت‌‌ها را در فواصلي بسيار دور، مجبور به رفتار درهم‌تنيده كند.

اولين كساني كه از مزاياي اين شبكه‌‌هاي پيشرفته منتفع خواهند شد، دانشمندان خواهند بود. با اين شبكه‌‌ها،  آزمايشگاه‌‌ها خواهند توانست  از راه دور به اولين رايانه‌هاي كوانتومي متصل شوند يا اينكه ماشين‌‌ها مي‌‌توانند به‌‌عنوان يك رايانه‌‌ي واحد با يكديگر كار كنند.

پس از آن، دانشمندان خواهند توانست از اين سيستم‌ها براي انجام آزمايش‌هايي استفاده كنند كه پيش از اين، انجام آن‌ها با ماشين‌هاي كلاسيك امكان‌‌پذير نبود؛ مانند شبيه‌سازي مولكول‌ها و مواد در فيزيك كوانتوم. شبكه‌هاي ساعت‌‌هاي كوانتومي مي‌توانند به‌‌طور چشمگيري دقت اندازه‌گيري‌ در پديده‌هايي مانند امواج گرانشي را افزايش دهند و تلسكوپ‌هاي بزرگ نوري مي‌‌توانند از توان كيوبيت‌‌ها در جهت افزايش كيفيت تصويربرداري خود استفاده كنند.

اما ممكن است در خارج از حوزه‌‌ي علم نيز متخصصي‌‌هايي وجود داشته باشد. در جريان يك انتخابات، اينترنت كوانتومي مرحله‌‌ي پنجمي مي‌تواند به رأي‌دهندگان اجازه دهد كه نه‌تنها يك كانديدا را انتخاب كنند؛ بلكه امكان «برهم نهي نامزدها» نيز وجود خواهد داشت؛ به اين معني كه سيستم رأي‌گيري، گزينه‌‌هاي دوم مورد علاقه‌‌ي رأي‌دهندگان را نيز پوشش دهد.

ليانگ جيان، يك فيزيكدان انديشه متخصصيني در دانشگاه يل در نيوهيون از ايالت كنتيكت مي‌گويد كه اين نقشه‌‌ي راه براي جامعه‌‌ي بزرگ‌‌ كوانتومي مفيد خواهد بود؛ با اين حال، بيشتر روي انواعي از تكنولوژي تمركز دارد كه گروه دلفت تعيين كرده است. به‌عنوان مثال، اثري كه در سال گذشته توسط جيانگ و همكارانش در حوزه‌‌ي انديشه متخصصيني منتشر شد، نشان مي‌دهد كه در شبكه‌هاي كوچك يا متوسط، مي‌توان به‌‌جاي پالس‌هاي ليزري از امواج مايكروويو استفاده كرد.

پژوهشگران درمورد اينكه  آيا اين برنامه‌ها واقعاً مفيد خواهند بود يا خير، به اجماع نرسيده‌‌اند. حتي مشخص نيست كه آيا پيشرفت اينترنت كوانتومي به‌‌اندازه‌‌اي خواهد بود كه بتواند به‌‌صورت وسيع، در دسترس عموم قرار گيرد. اما برخي از آن‌ها، همچنان خوش‌‌بين هستند.

ورنر مي‌‌گويد:

 من هيچ ترديدي ندارم كه به چنين روزي خواهيم رسيد؛ هرچند ممكن است زمان زيادي طول بكشد.