اينترنت كوانتومي در راه است

اينترنت كنوني به زمين بازي هكرها تبديل شده است. از اتصال‌‌هاي ناامن ارتباطي تا داده‌هايي كه به‌خوبي در كلود حفاظت نمي‌شوند، آسيب‌ها همه‌جا هستند؛ اما فيزيك‌دان‌هاي كوانتومي مي‌توانند اين آسيب‌ها را به حداقل برسانند.

هدف دانشمندان، توسعه‌ي شبكه‌هاي كاملا كوانتومي است كه اطلاعات آن‌ها براساس ويژگي‌هاي عجيب دنياي كوانتومي، توليد، ذخيره يا جابه‌جا مي‌شوند. براي مثال گربه‌هايي را در انديشه متخصصين بگيريد كه در هر دو حالت زنده و مرده يا ذراتي كه قادر به كارهاي شبح‌وار از فاصله‌ي دور هستند، فعاليت مي‌كنند. اين سيستم‌ها كه با اشكالات شبكه‌هاي كلاسيك روبه‌رو نيستند، مي‌توانند سطحي از حريم خصوصي، امنيتي و توان محاسباتي را فراهم كنند كه دستيابي به آن‌ها با اينترنت كنوني غيرممكن است.

اگرچه پياده‌سازي كامل شبكه‌هاي كوانتومي هنوز چشم‌اندازي دور از دسترس است، اما پيشرفت‌ها و تحولات اخير در انتقال، ذخيره‌سازي و دست‌كاري اطلاعات كوانتومي برخي فيزيك‌دان‌ها براي رسيدن به يك اثبات ساده‌ي مفهومي متقاعد كرده است.

از ترك‌هاي داخل الماس و كريستال كه به تغيير رنگ فوتون‌ها كمك مي‌كنند تا پهپادهايي كه نقش گره‌هاي شبح شبكه را ايفا مي‌كنند، پژوهشگرها با مجموعه‌اي از روش‌ها و مصالح به جستجوي كوانتومي خود ادامه مي‌دهند. اولين مرحله براي رسيدن به اين هدف، ساخت شبكه‌اي كوانتومي است كه از فيبر نوري استاندارد براي اتصال حداقل سه دستگاه كوانتومي در فواصل ۵۰ تا ۱۰۰ كيلومتري استفاده مي‌كند.

به عقيده‌ي بن لانيون از مؤسسه‌ي اپتيك كوانتوم و اطلاعات كوانتومي اينسبروك اتريش، امكان ساخت چنين شبكه‌اي در پنج سال آينده وجود دارد. تيم لانيون بخشي از اتحاديه‌ اينترنت كوانتومي اروپا است كه رهبري آن برعهده‌ي استفاني وهنر از دانشگاه فناوري دلفت هلند است و هدف آن ساخت يك شبكه‌ي كوانتومي است.

به‌گفته‌ي رونالد هنسون از دانشگاه دلفت، ويژگي اصلي شبكه‌ي كوانتومي ارسال اطلاعات كوانتومي به‌جاي اطلاعات كلاسيك است. اطلاعات كلاسيك به‌صورت بيتي با مقادير صفر و يك منتقل مي‌شود؛ اما اطلاعات كوانتومي به شكل بيت‌هاي كوانتومي يا كيوبيت منتقل مي‌شود كه مي‌تواند به شكل برهم‌نهي هم‌زمان صفر و يك باشد. براي مثال مي‌توان كيوبيت‌ها را براساس وضعيت‌هاي دوقطبي فوتون يا وضعيت اسپين الكترون و هسته‌ي اتمي رمزنگاري كرد. در مكانيك كوانتوم، اسپين شكلي بنيادي از تكانه‌ي زاويه‌اي ذرات بنيادي ازجمله الكترون است.

شبكه‌سازي كوانتومي

در آنچه هنسون «مسئله‌ي ساده‌ي شبكه‌هاي كوانتومي» مي‌خواند، مي‌توان از كيوبيت‌ها براي ساخت كليدهاي مخفي (رشته‌هاي تصادفي صفر و يك) استفاده كرد. از كليد‌هاي مخفي هم مي‌توان در روشي به نام توزيع كليك كوانتومي (QKD) براي رمزنگاري اطلاعات كلاسيك استفاده كرد.

براي مثال يكي از طرفين QKD آليس، كيوبيت‌ها را براي طرف ديگر به نام باب ارسال مي‌كند و باب وظيفه‌ي ارزيابي كيوبيت را برعهده دارد (آليس و باب براي اولين‌بار در مقاله‌‌اي با موضوع رمزنگاري كليد عمومي در سال  ۱۹۸۷ ظاهر شدند و حالا به نگه‌دارنده‌هاي گره در شبكه‌ي كوانتومي تبديل شده‌اند).

فقط براي انواع مشخصي از ارزيابي‌ها، مقدار دريافتي باب با مقدار رمزنگاري‌شده توسط آليس برابر است. آليس و باب مي‌توانند اطلاعات را روي يك كانال عمومي مقايسه كنند و بدون اشتراك‌گذاري مقادير كيوبيت به محاسبه‌ي ارزيابي‌ها بپردازند. سپس مي‌توانند از مقادير خصوصي براي ساخت يك كليد مخفي مشترك و رمزنگاري پيغام‌هاي كلاسيك استفاده كنند.

درصورتي‌كه يك متجاوز به‌دنبال استراق سمع از كيوبيت‌ها باشد، آليس و باب نفوذ را تشخيص مي‌دهند، كيوبيت‌ها را حذف مي‌كنند و تبادل پيام را از ابتدا شروع مي‌كنند. از انديشه متخصصينات تئوري تا زماني‌كه كسي روي كانال كوانتومي به استراق سمع نپرداخته است، به كار خود ادامه مي‌دهند.

در ژوئيه‌‌ي سال گذشته، آلبرتو بايرون و همكاران او از دانشگاه ژنو سوئيس، با استفاده از QKD موفق به توزيع كليدهاي مخفي با سرعت ۶.۵ كيلوبيت بر ثانيه، روي ركوردي در مسافت بيش از ۴۰۰ كيلومتر فيبر نوري شدند. در مقابل، سيستم‌هاي تجاري ازجمله سيستم ID Quantique(شركتي در ژنو) از QKD روي ۵۰ كيلومتر فيبر نوري استفاده مي‌كنند.

آليس و باب شبح مي‌شوند

در شرايط ايده‌آل، شبكه‌هاي كوانتومي فراتر از QKD عمل مي‌كنند. گام بعدي، انتقال مستقيم وضعيت‌هاي كوانتومي بين گره‌ها است. كيوبيت‌هاي رمزنگاري‌شده براساس فوتون دوقطبي را مي‌توان روي فيبرهاي نوري ارسال كرد (مانند روش QKD)، اما استفاده از چنين كيوبيت‌هايي براي انتقال حجم زيادي از اطلاعات كوانتومي اشكال‌ساز است زيرا احتمال پراكنده شدن يا جذب فوتون‌ها در طول مسير يا خطاي ثبت در آشكارساز وجود دارد و به‌اين‌ترتيب كانال انتقال غيرايمن خواهد شد.

خوشبختانه مي‌توان ازطريق يكي از ديگر خصوصيات سيستم كوانتومي به نام وابستگي كوانتومي (quantum entanglement) به روش پايدارتري براي تبادل اطلاعات كوانتومي رسيد. وقتي دو ذره يا سيستم كوانتومي با يكديگر ارتباط برقرار مي‌كنند، احتمال وابسته شدن آن‌ها وجود دارد.

پس از وابسته شدن هر دو سيستم براساس يك وضعيت كوانتومي واحد توصيف مي‌شوند، بنابراين ارزيابي وضعيت يك سيستم بلافاصله بر وضعيت سيستم ديگر تأثير مي‌گذارد، ولو دو سيستم كيلومترها از يكديگر فاصله داشته باشند. اينشتين وابستگي را «عمليات شبح‌وار بافاصله» توصيف مي‌كند. اين تعريف منبع ارزشمندي براي شبكه‌هاي كوانتومي است.

آليس با گره‌هاي وابسته مي‌تواند از سهم وابستگي خود براي ارسال يك كيوبيت كامل به باب استفاده كند، در اين فرايند بدون نياز به ارسال كيوبيت فيزيكي، انتقال به‌صورت امن و ضدفريب در اين مبادله، پس از ايجاد وابستگي بين گره‌ها، پروتكل انتقال كيوبيت از آليس به باب پايدار و قطعي است.

اما براي انتقال در مسيرهاي طولاني يكي از طرفين بايد به توزيع وابستگي بپردازد (معمولا ازطريق شبكه‌هاي استاندارد فيبر نوري اين كار را انجام مي‌دهند). در ماه ژانويه، تيم لانيون در اينسبروك موفق به تنظيم ركورد براي ايجاد وابستگي بين ماده و نور روي ۵۰ كيلومتر فيبر نوري شدند.

ليون از يون محصور به‌عنوان ماده استفاده كرد (تك يون كلسيوم محدود به يك كاواك اپتيكي كه از ميدان‌هاي مغناطيسي استفاده مي‌كند). يون پس‌ازآنكه با ليزر تغيير داده شد، يك كيوبيت را به‌صورت برهم‌نهي دو وضعيت انرژي رمزنگاري مي‌كند و با رمزنگاري يك كيوبيت براساس وضعيت‌هاي دوقطبي يك فوتون منتشر مي‌كند. كيوبيت‌هاي موجود در يون و فوتون به يكديگر وابسته هستند. هدف اين فرايند ارسال فوتون ازطريق فيبرنوري و حفظ وابستگي آن است.

متأسفانه يون محصور، فوتون با طول‌موج ۸۵۴ نانومتر (nm) را منتشر مي‌كند، درنتيجه فوتون داخل فيبر نوري دوام نمي‌آورد. تيم لانيون براي حل اين اشكال، فوتون منتشرشده را به داخل يك كريستال غيرخطي ارسال كردند كه با ليزر قدرتمند پر شده است. با اين كار فوتون به موج مخابراتي سازگار با فيبرهاي نوري تبديل مي‌شود. در مرحله‌ي بعدي، آن‌ها فوتون را به فيبر نوري ۵۰ كيلومتري تزريق كردند. پس‌ازآنكه فوتون به آن سوي فيبر رسيد، تست يون و فوتون را براي مطالعه وابستگي آن‌ها آغاز كردند.

جابه‌جايي وابستگي‌ها

تيم لانيون مي‌خواهد دو يون محصور را به يكديگر وابسته كند كه ۱۰۰ كيلومتر با يكديگر فاصله دارند. هر گره، يك فوتون وابسته را ازطريق ۵۰ كيلومتر فيبر نوري به ايستگاهي در ميانه‌ي راه ارسال مي‌كند. در اين ايستگاه، فوتون‌ها به‌گونه‌اي ارزيابي مي‌شوند كه وابستگي به يون‌هاي مرتبط خود را از دست مي‌دهند و به يكديگر وابسته مي‌شوند.

درنتيجه، دو گره در فاصله‌ي ۱۰۰ كيلومتري هركدام ازطريق يك زوج كيوبيت وابسته، يك اتصال كوانتومي را تشكيل مي‌دهند. به اين فرايند جابه‌جايي وابستگي گفته مي‌شود. اگرچه اين فرايند فعلا تا اندازه‌اي غيربهينه است اما لانيون اين تنظيمات را شروع خوبي براي توسعه‌ي بهتر و سريع‌تر سيستم‌هاي جابه‌جايي مي‌داند.

درعين‌حال، تيم هانسون در دلفت نشان مي‌دهد كه چگونه مي‌توان يك نوع متفاوت گره را به فوتون طول‌موج مخابراتي وابسته كرد. آن‌ها از ترك الماس به‌عنوان مركز تهي نيتروژني (NV) استفاده مي‌كنند. اين ترك زماني به وجود مي‌آيد كه يك اتم نيتروژن با يك اتم كربن در ساختار كريستالي الماس جايگزين شود و به اين صورت فضايي خالي در شبكه‌ي كريستالي مجاور اتم نيتروژني ايجاد مي‌شود.

پژوهشگرها از ليزر براي تغيير اسپين الكترون آزاد در مركز NV الماس استفاده كردند تا الكترون را در وضعيت برهم‌نهي اسپين قرار دهند و به اين صورت به رمزنگاري يك كيوبيت بپردازند. اين فرايند منجر به نشر فوتون هم مي‌شود. اين فوتون در برهم‌نهي منتشرشده در يكي از دو شيار زماني متوالي قرار دارد. به‌گفته‌ي هنسون، فوتون هميشه همان‌جا است اما در برهم‌نهي وضعيت اول يا آخر قرار دارد.

كيوبيتي كه در اسپين الكترون ذخيره شده است و كيوبيتي كه در حضور يا غياب فوتون در شيارهاي زماني منتشر مي‌شود، در اين مرحله به يكديگر وابسته مي‌شوند. در سال ۲۰۱۵، تيم دلفت دو گره‌ي مجزاي فضايي كه از مراكز الماس NV ساخته شده بودند را در فاصله‌ي ۱.۳ كيلومتري از يكديگر قرار دادند؛ دو گره با فيبر نوري به يكديگر وصل شده‌ بودند.

آن‌ها در مرحله‌ي بعدي يك فوتون وابسته از هر گره را به نقطه‌اي در ميانه‌ي مسير فرستادند. در اين نقطه با جابه‌جايي وابستگي، دو مركز NV به يكديگر وابسته شدند؛ اما مانند آزمايش لانيون، طول‌موج فوتون‌هاي منتشر‌شده به ۶۳۷ نانومتر مي‌رسيد. درنتيجه اين فوتون‌ها پس از ورود به فيبرهاي نوري به مسافران افتضاحي تبديل مي‌شوند كه به ازاي هر كيلومتر، از شدت آن‌ها كاسته مي‌شود و پس از طي چند كيلومتر ديگر نمي‌توانند به مسير خود ادامه دهند.

بنابراين تيم دلفت در ماه مه، طرحي جبراني مشابه طرح اينسبروك ارائه داد. آن‌ها از كريستال‌هاي غيرخطي و ليزر براي تبديل فوتون به طول‌موج‌هاي مخابراتي استفاده كردند. در اين روش، كيوبيت‌ها توسط مركز NV رمزنگاري مي‌شوند؛ وابستگي فوتون طول‌موج مخابراتي حفظ مي‌شود و به‌اين‌ترتيب زمينه براي جابه‌جايي وابستگي بين گره‌هاي مركز NV الماس آماده مي‌شود.

اگرچه آن‌ها هنوز موفق به ارسال فوتون وابسته‌ي الماس طول‌موج مخابراتي روي فيبر‌هاي نوري طولاني نشده‌اند اما هانسون از رسيدن به اين هدف اطمينان دارد و هدف بعدي او وابسته‌سازي مراكز NV الماس در فاصله‌ي ۳۰ كيلومتري ازطريق جابه‌جايي وابستگي است. او مي‌گويد:

ما در حال ساخت اين گره‌ها هستيم. از فيبر شيشه‌اي براي وابستگي دو مركز NV استفاده مي‌كنيم.

هدف بعدي آن‌ها وابسته‌سازي گره‌ها با استفاده از زيرساخت‌هاي فيبري موجود بين سه شهر هلند است. مسافت اين شهرها براي اين آزمايش مناسب است.

تركيب و تطبيق: چالش‌هاي پيش‌ رو

تيم‌هاي دلفت و اينسبروك هركدام تنها از يك نوع ماده براي ذخيره‌سازي و وابسته‌سازي كيوبيت‌ها استفاده مي‌كنند؛ اما ممكن است در شبكه‌هاي كوانتومي واقعي بسته به نوع عمليات (رايانش كوانتومي يا ادراك كوانتومي) از انواع مختلف ماده براي هر گره استفاده شود؛ و گره‌هاي كوانتومي علاوه‌بر دست‌كاري كيوبيت‌ها مي‌توانند آن‌ها را براي مدت كوتاهي در حافظه‌هاي كوانتومي ذخيره كنند. مارچل لي گريمارو پويگبرت از دانشگاه بازل سوئيس مي‌گويد:

پلتفرم و پروتكل مناسب هنوز كاملا مشخص نيستند. هميشه بهتر است چند سيستم هيبريدي مختلف به يكديگر وصل شوند.

پويگبرت با همكاري تيم ولفگانگ تيتل در دانشگاه كالگري، به روشي براي وابستگي كيوبيت‌هاي ذخيره‌شده در مواد مختلف رسيده‌اند. آن‌ها براي شروع از منبعي استفاده كردند كه زوج فوتون‌هاي وابسته را منتشر مي‌كند. طول‌موج يكي از فوتون‌ها ۷۹۴ و ديگر ۱۵۳۵ نانومتر است. فوتون ۷۹۴ نانومتري با كريستال ليتيوم نيوبات اشباع‌شده با توليوم واكنش مي‌دهد بنابراين حالت فوتون در كريستال ذخيره مي‌شود. فوتون ۱۵۳۵ نانومتري هم وارد فيبر اشباع‌شده با اربيوم مي‌شود و وضعيت كوانتومي را ذخيره مي‌كند.

هر دو حافظه براي نشر مجدد فوتون‌ها در زماني مشخص طراحي شده‌اند. پژوهشگرها پس از مطالعه فوتون‌هايي كه مجددا منتشر شدند، متوجه شدند فوتون‌ها وابستگي خود را حفظ كرده‌اند. درنتيجه، حافظه‌هاي كوانتومي درست قبل از نشر فوتون‌ها وابسته‌ شده‌اند و بنابراين وابستگي به‌مرورزمان حفظ مي‌شود.

اما ماهواره‌ها هنوز هم گزينه‌ي پرهزينه‌اي براي شبكه‌هاي كوانتومي هستند. بهترين انتخاب بعدي مي‌تواند پهپادهاي نسبتا كم‌هزينه باشد. در ماه مه، شي نينگ ژو از دانشگاه نانجينگ و همكاران او گزارش دادند كه از يك پهپاد ۳۵ كيلوگرمي براي ارسال فوتون‌هاي وابسته به دو گره‌ي كوانتومي در فاصله‌ي ۲۰۰ متري روي زمين استفاده كرده‌اند. در اين آزمايش براي تأييد دريافت فوتون‌‌هاي وابسته از اتصال ارتباطي كلاسيك بين گره‌ها استفاده شد.

اين آزمايش در شرايط به‌شدت متغير مثل نور خورشيد و تاريكي و حتي در شب‌هاي باراني با موفقيت پيش رفت. درصورتي‌كه بتواند مقياس چنين پهپادهايي را توسعه داد و به نصب آن‌ها در UAV-هاي پرارتفاع پرداخت، فاصله‌ي بين گره‌هاي روي زمين را مي‌توان تا ۳۰۰ كيلومتر هم توسعه داد.

هنوز بر سر پياده‌سازي كامل شبكه‌ي عملياتي كوانتومي موانعي وجود دارد. يكي از آن‌ها حافظه‌هاي كوانتومي امن است. يكي از مهم‌ترين بخش‌هاي پياده‌سازي، توانايي توسعه‌ي دسترسي اتصال كوانتومي به مناطق دوردست با استفاده از تكراركننده‌هاي كوانتومي است. وضعيت كوانتومي مانند اطلاعات كلاسيك قابل كپي يا قابل بازگشت نيست.

گره‌هاي كوانتومي در مواجهه با اتلاف حاصل از ارتباط با محيط، براي حفظ وابستگي به گيت‌هاي پيچيده‌ي منطقي نياز دارند و به‌گفته‌ي لانيون اين مسئله يكي از بزرگ‌ترين چالش‌هاي پيش رو است. بااين‌حال عناصر اوليه‌ي قرار گرفتن براي ساخت يك شبكه‌ي كوانتومي كه حداقل سه شهر را به هم وصل كند فراهم است و شايد روزي اين ارتباط به‌كل دنيا برسد. به‌گفته‌ي هنسون:

ما امروزه پلتفرم‌هايي داريم كه مي‌توانيم در آن‌ها براي اولين‌بار به مطالعه شبكه‌هاي واقعي كوانتومي بپردازيم. هيچ تضميني وجود ندارد؛ اما باوجود گروه خوبي كه داريم، مي‌توانيم موفقيت خود را تضمين كنيم.