دانشمندان سراسر دنیا مشغول پژوهش روی اینترنت های کوانتومی هستند. اینترنت کوانتومی چیست؟ چه زمانی آماده می شود؟ کاربران آن چه کسانی خواهند بود؟
در نگاه اول، شاید اینترنت کوانتومی موضوعی علمی تخیلی به نظر برسد؛ اما ساخت شبکه های کوانتومی یکی از بلندپروازی های مهم بسیاری از کشورهای جهان است. اخیرا وزارت دفاع ایالات متحده (DoE) استراتژی گام به گام خود را برای تحقق رؤیای اینترنتی کوانتومی در چند سال آینده رونمایی کرد. ایالات متحده به همراه اتحادیه ی اروپا و چین بر سر توسعه ی ارتباطات کوانتومی رقابت می کنند. حال این سؤال مطرح می شود: اینترنت کوانتومی دقیقا چیست؟ چگونه کار می کند؟ چه اهدافی خواهد داشت؟
اینترنت کوانتومی چیست؟
اینترنت کوانتومی شبکه ای است که امکان مبادله ی اطلاعات بین دستگاه های کوانتومی را با استفاده از قوانین عجیب مکانیک کوانتومی فراهم می کند. ازنظر تئوری، اینترنت کوانتومی به قابلیت های بی سابقه ای دست خواهد یافت که امکان اجرای آن ها در وب کنونی ناممکن است. در دنیای کوانتومی، داده ها در وضعیت کیوبیتی رمزنگاری می شوند. وضعیت های کیوبیتی را می توان در دستگاه های کوانتومی مثل کامپیوتر یا پردازنده کوانتومی ایجاد کرد. به بیان ساده، اینترنت کوانتومی ارسال کیوبیت ها در شبکه ای متشکل از چند دستگاه کوانتومی است که ازنظر فیزیکی، مستقل از یکدیگر هستند. تمام این ارتباطات به لطف خواص عجیب و منحصر به فرد وضعیت های کوانتومی محقق می شوند.
در نگاه اول، شاید اینترنت کوانتومی مانند اینترنت استاندارد به نظر برسد؛ اما ارسال کیوبیت ها در کانالی کوانتومی به جای کانالی کلاسیک به معنی بهبود رفتار بیت ها در مقیاس کوچک تر یا وضعیت های کوانتومی است. ناگفته نماند قوانین فیزیک کوانتومی که روش انتقال داده در اینترنت کوانتومی را تعریف می کنند، هنوز کاملا آشنا نیستند. درواقع، می توان گفت کاملا غریبه و حتی گاهی ماوراءالطبیعه به نظر می رسند. بنابراین، برای درک اکوسیستم کوانتومی اینترنت ۲/۰، بهتر است هرآنچه درباره ی محاسبات کلاسیک می دانید، فراموش کنید؛ زیرا اینترنت کوانتومی چندان نمی تواند مرورگرهای وب دلخواه شما را تداعی کند.
اطلاعات مبادله شدنی با کوانتوم
به طور خلاصه، نمی توان اطلاعات زیادی را با اینترنت کوانتومی مبادله کرد. برای مثال، حداقل برای چند دهه ی آینده نباید انتظار برگزاری جلسات Zoom کوانتومی را داشته باشید. کیوبیت ها در مرکز ارتباطات کوانتومی قرار دارند و از قوانین بنیادی مکانیک کوانتوم استفاده می کنند و رفتار آن ها با بیت های کلاسیک بسیار متفاوت است.
بیت کلاسیک برای رمزنگاری داده ها، تنها در یکی از دو حالت قرار می گیرد. درست مانند کلید لامپ می تواند خاموش یا روشن و زنده یا مرده و صفر یا یک باشد؛ اما کیوبیت ها رفتار متفاوتی دارند. در صورت برقراری شرایط ویژه، کیوبیت ها می توانند هم زمان در دو حالت صفر و یک قرار بگیرند. چنین وضعیتی در دنیای کلاسیک وجود ندارد.
برای اندازه گیری عملکرد کیوبیت، باید یک حالت را به آن نسبت داد و اینجا است که تناقض به وجود می آید. اندازه گیری کیوبیت باعث می شود از وضعیت دوگانه خارج شود و درست مانند بیت کلاسیک در حالت صفر یا یک قرار بگیرد. به این پدیده برهم نهی گفته می شود که یکی از هسته های اصلی مکانیک کوانتوم است. گفتنی است نمی توان از کیوبیت ها برای انتقال داده های آشنایی مثل ایمیل یا پیام های واتساپ استفاده کرد؛ اما رفتار عجیب کیوبیت ها فرصت های مغتنمی در زمینه های دیگر فراهم خواهد کرد.
ارتباطات ایمن کوانتومی
یکی از شاخه های عجیب مرتبط با کیوبیت ها امنیت است. در ارتباطات کلاسیک، اغلب داده ها ازطریق توزیع کلیدی مشترک برای گیرنده و فرستنده و سپس استفاده از کلید مشترک برای رمزنگاری پیام ایمن می شوند. سپس، گیرنده می تواند از کلید برای رمزگشایی داده ها استفاده کند. امنیت اغلب ارتباطات کلاسیک کنونی برپایه ی الگوریتم تولید کلید است. دسترسی به این کلید برای هکرها دشوار است؛ اما ناممکن نیست؛ به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال کوانتومی سازی ارتباطات هستند. این مفهوم در مرکز زمینه ی نوظهور امنیت سایبری به نام توزیع کلید کوانتومی (QKD) قرار دارد.
در روش QKD، دو طرف بخشی از داده های کلاسیک را با کلید کریپتوگرافی به کیوبیت ها رمزنگاری می کنند. فرستنده کیوبیت ها را برای شخص دیگری ارسال و گیرنده هم برای دستیابی به مقادیر کلید کیوبیت ها را اندازه گیری می کند. اندازه گیری باعث فروپاشی وضعیت کیوبیت می شود؛ اما خواندن مقدار در فرایند اندازه گیری اهمیت زیادی دارد؛ درنتیجه کیوبیت برای انتقال مقدار کلید به کاربرده می شود.
از همه مهم تر با QKD به راحتی می توان استراق سمع شخص ثالث را در طول انتقال کشف کرد؛ زیرا متجاوز فقط با نگاه کردن به کیوبیت ها می تواند باعث فروپاشی آن ها شود. اگر هکر از هر نقطه ای به کیوبیت ها نگاه کند، وضعیت کیوبیت ها به صورت خودکار تغییر می کند. بدین ترتیب، ردپایی از استراق سمع جاسوس به جا می ماند؛ به همین دلیل، رمزنگارها معمولا QKD را روشی کاملا ایمن می دانند.
چرا اینترنت کوانتومی؟
فناوری QKD هنوز در آغاز راه است. درحال حاضر، روش متداول ساخت QKD ارسال کیوبیت ها برای گیرنده ازطریق کابل های فیبر نوری در مسیری یک طرفه را شامل می شود؛ اما این کابل ها کارایی پروتکل را به طور چشمگیری محدود می کنند. کیوبیت ها در کابل های فیبر نوری، گم یا پراکنده می شوند؛ درنتیجه، به شدت در معرض خطا قرار می گیرند و برای طی مسافت های طولانی دچار مشکل می شوند. آزمایش های فعلی به مجموعه ای از صدها کیلومتر فیبر نوری محدود هستند. برای حل این مشکل باید خاصیت کوانتومی دیگر به نام درهم تنیدگی بین دو دستگاه را بهبود داد.
وقتی دو کیوبیت با یکدیگر تعامل می کنند و درهم تنیده می شوند، خواص مشترکی پیدا می کنند که معمولا این خواص به یکدیگر وابسته هستند. وقتی کیوبیت ها در وضعیت درهم تنیده قرار دارند، هر تغییر در یکی از زوج ذرات به تغییر در ذره ی دیگر منجر می شود؛ حتی اگر دو ذره ازنظر فیزیکی جدا از یکدیگر باشند. وضعیت کیوبیت اول را می توان با بررسی رفتار همتای درهم تنیده ی آن قرائت کرد. آلبرت انیشتین به این حالت رفتار شبح وار می گوید. در مینه ی ارتباطات کوانتومی، از درهم تنیدگی می توان برای ارسال اطلاعات از کیوبیتی به جفت درهم تنیده ی آن استفاده کرد و دیگر به برقراری کانال فیزیکی بین مبدأ و مقصد نیازی نیست.
درهم تنیدگی چگونه کار می کند؟
طبق تعریف، تله پورت به معنی نبود اتصال شبکه ی فیزیکی بین دستگاه های ارتباطی است؛ اما برای تله پورت در درجه ی اول به ایجاد و حفظ درهم تنیدگی نیاز است. برای حمل QKD ازطریق درهم تنیدگی، ایجاد زیرساختی مناسب برای حمل زوج کیوبیت های درهم تنیده و سپس توزیع آن ها بین فرستنده و گیرنده ضروری است. بدین ترتیب، کانال تله پورتی برای مبادله ی کلیدهای رمزنگاری ایجاد می شود. پس از ساخت کیوبیت های درهم تنیده، باید نیمی از زوج کیوبیت را به گیرنده ی کلید ارسال کنید. برای مثال، کیوبیت درهم تنیده می تواند شبکه های فیبر نوری را طی کند؛ اما این شبکه ها نمی توانند درهم تنیدگی را به اندازه ی ۹۶ کیلومتر حفظ کنند.
درهم تنیدگی کیوبیت ها را می توان در مسافت های دوردست ازطریق ماهواره حفظ کرد؛ اما پوشش دستگاه های کوانتومی خارج از زمین پرهزینه است. هنوز برای ساخت شبکه های تله پورت که بتوانند به شیوه ای مؤثر کیوبیت های سراسر جهان را به یکدیگر وصل کنند، مشکلات متعددی پیش رو است. با این حال با وجود شبکه ی درهم تنیده، تمام این مشکلات حل خواهند شد؛ زیرا کیوبیت های درهم تنیده برای انتقال پیام به زیرساخت های فیزیکی نیازی نخواهند داشت.
در طول انتقال، کلید کوانتومی برای اشخاص ثالث نامرئی خواهند ماند و استراق سمع از آن ناممکن می شود؛ درنتیجه، ارتباطی ایمن از مبدأ به مقصد شکل می گیرد. چنین زیرساختی برای صنایع حساس مثل بانکداری یا خدمات درمانی یا ارتباطات هوایی مناسب است. همچنین، دولت ها که از اطلاعات محرمانه استفاده می کنند، از اولین تطبیق دهندگان این فناوری خواهند بود.
کاربردهای دیگر اینترنت کوانتومی
شاید بپرسید وقتی پژوهشگران می توانند راه های ساده تری برای بهبود شکل عادی QKD پیدا کنند، چه نیازی به درهم تنیدگی است. برای مثال، تکرارکنندگان کوانتومی می توانند مسافت های زیادی را پوشش دهند و هم به درهم تنیدگی کیوبیت ها نیازی ندارند. با وجود این، درهم تنیدگی قابلیت های زیادی دارد. QKD تنها یکی از مثال های متداول و یکی از اهداف اینترنت کوانتومی است. از شبکه های درهم تنیده می توان به عنوان راهی امن برای ساخت خوشه های کوانتومی متشکل از کیوبیت های درهم تنیده استفاده کرد.
پژوهشگران برای اتصال به اینترنت کوانتومی به سخت افزار کوانتومی ویژه ای نیازی ندارند. درواقع، تنها یک پردازنده ی تک کیوبیتی هم می تواند اتصال را برقرار کند؛ اما ازآنجاکه کامپیوترهای کوانتومی قابلیت های محدودی دارند، دانشمندان به دنبال راهی برای ساخت ابرکامپیوترهای کوانتومی هستند.
با اتصال تعداد زیادی از دستگاه های کوانتومی کوچک تر به یکدیگر، اینترنت کوانتومی می تواند مسائلی را حل کند که حلشان تنها با یک کامپیوتر کوانتومی ناممکن است. این روند سرعت تبادل داده های انبوه و اجرای آزمایش های عظیم ستاره شناسی و اکتشافات ماده و علوم زیستی را افزایش خواهد داد. به همین دلیل، قبل از آنکه غول های فناوری مثل گوگل و IBM به برتری کوانتومی برسند، دانشمندان به دنبال پی بردن به مزایای بیشتری از این فناوری هستند. طبق تعریف برتری کوانتومی، کامپیوتر کوانتومی می تواند مسائلی را حل کند که حل آن ها برای کامپیوترهای کلاسیک ناممکن یا دشوار است.
درحال حاضر، پیشرفته ترین کامپیوترهای کوانتومی گوگل و IBM با ۵۰ کیوبیت فعالیت می کنند. این میزان برای اجرای محاسبات و حل مسائل پژوهشی ناکافی است. افزون بر این، اتصال چنین دستگاه هایی از طریق درهم تنیدگی کوانتومی می تواند به خوشه هایی با هزاران کیوبیت منجر شود. برای بسیاری از دانشمندان، ساخت چنین کامپیوتر هایی هدف نهایی پروژه ی اینترنت کوانتومی است.
معایب اینترنت کوانتومی
شاید نتوان در آینده ای نزدیک از اینترنت کوانتومی برای مبادله ی داده ها به شیوه ی معمول استفاده کرد. اینترنت کوانتومی در مقیاس انبوه حداقل به چند دهه پیشرفت فناوری نیاز دارد. با اینکه تعداد زیادی از دانشمندان رؤیای اینترنت کوانتومی را در سر می پرورانند، فعلا نمی توان آن را در مقیاس انبوه توسعه داد.
بسیاری از پژوهش های کنونی ارتباطات کوانتومی به جستجوی بهترین روش های رمزنگاری و فشرده سازی و انتقال اطلاعات از طریق وضعیت های کوانتومی اختصاص یافته اند. حالت ها یا وضعیت های کوانتومی هم خاصیت های خارق العاده ای دارند و دانشمندان اطمینان دارند از یک گره می توان برای تله پورت حجم زیادی از داده ها استفاده کرد.
چه نوع اطلاعاتی را می توان با اینترنت کوانتومی ارسال کرد که شباهت زیادی به ایمیل یا اطلاعات مشابه ندارد؟ درواقع، هدف اصلی اینترنت کوانتومی جایگزین کردن اینترنت کلاسیک نیست؛ بلکه پژوهشگران امیدوار هستند اینترنت کوانتومی درکنار اینترنت کلاسیک برای اهداف ویژه استفاده شود؛ زیرا اینترنت کوانتومی می تواند وظایف را بسیار سریع تر از اینترنت کلاسیک انجام دهد؛ وظایفی که اجرای آن ها حتی برای بهترین ابرکامپیوترهای کنونی هم دشوار است.
آینده ی اینترنت کوانتومی
در وضعیت فعلی، دانشمندان روش درهم تنیدگی بین کیوبیت ها را می دانند و با موفقیت درهم تنیدگی را برای QKD بهبود داده اند. چین یکی از سرمایه گذاران بلندمدت شبکه های کوانتومی است که رکورد درهم تنیدگی ماهواره ای را شکسته است. اخیرا، دانشمندان چینی موفق شده اند درهم تنیدگی ایجاد کنند و به QKD در مسافت بی سابقه ی ۱۲۰۰ کیلومتری دست یابند.
مرحله ی بعدی افزایش مقیاس زیرساخت ها است. تمام آزمایش هایی که تاکنون انجام شده اند، تنها به دو نقطه ی انتهایی اختصاص یافته اند. دانشمندان پس از رسیدن به هدف ارتباطات نقطه به نقطه، مشغول کار روی شبکه ای با چند فرستنده و چند گیرنده هستند که بتوانند ازطریق اینترنت کوانتومی در مقیاس جهانی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
هدف اصلی دانشمندان یافتن روش های برتر برای تولید تعداد زیادی از کیوبیت های درهم تنیده در مسافت های دوردست و برقراری ارتباط هم زمان بین نقاط مختلف است. البته اجرای این ایده در عمل بسیار دشوارتر است. برای مثال، به منظور حفظ درهم تنیدگی بین دستگاهی در چین و دستگاهی در ایالات متحده به گره ای واسطه و پروتکل های مسیریابی جدید نیاز است.
همچنین در بحث ایجاد درهم تنیدگی، هر کشور فناوری متفاوتی انتخاب می کند. برای مثال، درحالی که چین فناوری ماهواره ای را انتخاب کرده است، فیبر نوری برای وزارت دفاع ایالات متحده در اولویت قرار دارد. وزارت دفاع این کشور به دنبال ایجاد شبکه ای از تکرارکننده های کوانتومی است که بتوانند مسافت های طولانی بین کیوبیت های درهم تنیده را پوشش دهند.
در ایالات متحده، درهم تنیدگی ذرات ازطریق فیبر نوری در «حلقه ی کوانتومی» ۸۴ کیلومتری اطراف شیکاگو حفظ می شود. برای این مسافت به تکرارکننده ی کوانتومی نیازی نیست و به زودی، این شبکه به یکی از آزمایشگاه های DoE وصل خواهد شد. درمقابل دیگر در اروپا، اتحادیه ی اینترنت کوانتومی در سال ۲۰۱۸ برای توسعه ی استراتژی اینترنت کوانتومی تشکیل شد و سال گذشته، به درهم تنیدگی برای مسافت ۵۰ کیلومتری دست یافت.
در درجه ی اول، هدف اصلی و نهایی پژوهشگران کوانتومی توسعه ی مقیاس شبکه ها در مقیاس ملی است و روزی این مقیاس بین المللی خواهد شد. تعداد زیادی از دانشمندان معتقدند این اتفاق بسیار زودتر از چند دهه رخ خواهد داد. بدون شک، اینترنت کوانتومی پروژه ای بلندمدت با موانع فنی بسیار است؛ اما خروجی های غیرمنتظره ای هم از این پروژه به دست خواهند آمد که این سفر علمی را ارزشمند خواهند کرد. این پروژه با برنامه های بی شمار کوانتومی همراه خواهد شد که درحال حاضر، شاید نتوان آن ها را دقیق پیش بینی کرد.
منبع: زومیت.