دانشمندان یک گام دیگر به ساخت شبکه‌ی اینترنت کوانتومی نزدیک شدند

دانشمندان یک گام دیگر به ساخت شبکه‌ی اینترنت کوانتومی نزدیک شدند

دانشمندان در حال نزدیک شدن به امکان ایجاد یک شبکه‌ی اینترنت کوانتومی فوق‌العاده سریع و ایمن هستند و اکنون توانسته‌اند اطلاعات کوانتومی را با قابلیت اطمینان بالا در مسافت ۴۴ کیلومتری انتقال دهند.


«وفاداری داده‌ها» و «فاصله‌ی انتقال» برای ساخت بستر اینترنت کوانتومی واقعی و کاربردی از اهمیت زیادی برخوردار است و پیشرفت در هر یک از این زمینه‌ها موجب خوشحالی کسانی است که شبکه‌ی ارتباطات نسل بعدی بشر را ایجاد ‌می‌کنند. اکنون یک تیم پژوهشی با ارسال اطلاعات کوانتومی از طریق شبکه‌های گسترده‌ی فیبر نوری، مشابه شبکه‌هایی که ستون فقرات اینترنت ما را تشکیل می‌دهند، به بیش از ۹۰ درصد وفاداری داده (دقت داده) و در مسافتی ۴۴ کیلومتری دست یافته است.


«پاناگیوتیس اسپنتزوریس» (Panagiotis Spentzouris) فیزیکدان آزمایشگاه فیزیک ذرات و شتاب‌دهنده‌ی «فریم‌لب» (Fermilab) در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) با بیان اینکه از این نتایج هیجان‌زده است، گفت: «این موفقیت یک دستاورد کلیدی در راه ساخت یک فناوری دیگر است که تعریف تازه‌ای از شیوه‌ی برقراری ارتباط جهانی ارائه می‌دهد.»


ساختار اینترنت کوانتومی


فناوری اینترنت کوانتومی از «کیوبیت» (Qubit) استفاده می‌کند که مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک است و کوچک‌ترین واحد ذخیره‌ی اطلاعات در پردازش کوانتومی محسوب می‌شود. این ذرات مانند تاس‌هایی که همچنان در حال چرخش هستند و هنوز پایدار نشده‌اند، در ترکیبی از حالت‌های احتمالی، معلق باقی می‌مانند و می‌توانند به جز صفر و یک مقادیر حاصل از برهم‌نهی این دو را هم داشته باشند.

زمانی که کیوبیت‌ها در تعامل با یکدیگر قرار می‌گیرند، مشخصات آن‌ها به گونه‌ای با هم درگیر می‌شود و با اندازه‌گیری نهایی قابل تشخیص است. برای درک بهتر، این کیوبیت‌های درهم‌تنیده را به‌عنوان یک جفت تاس تصور کنید. در حالی که هر کدام می‌توانند روی هر عددی ثابت شوند، این موضوع تضمین شده که حتما عدد مجموع ۷ یا بالاتر است. مهم نیست که دو عدد چقدر از هم فاصله داشته باشند. به همین ترتیب در اینترنت کوانتومی، داده‌ها در یک مکان، به‌سرعت بیانگر داده‌ها در مکان دیگر خواهند بود.


با چیدمان هوشمندانه‌ی درهم‌تنیدگی سه کیوبیت، می‌توان حالت یک ذره را وادار کرد تا از طریق شریک یکسان با کیوبیت سوم، از مشخصات کیوبیت سوم پیروی کند. در دنیای کوانتوم، این موضوع به‌خوبی از یک ذره به ذره‌ی دیگر قابل تعمیم است و بدین ترتیب در یک چشمک زدن مشخصات آن را از راه دور انتقال می‌دهد. اگرچه در ابتدا باید درهم‌تنیدگی ایجاد شود و سپس این درهم‌تنیدگی با فرستادن کیوبیت‌ها از طریق فیبرهای‌نوری (یا ماهواره‌ها)، به مقصد نهایی ادامه یابد و مشخصات را منتقل کند.


چالش در تله‌پورت اطلاعات


طبیعت ناپایدار و ظریف اطلاعات کوانتومی، فرستادن پرتو فوتون‌های درهم‌تنیده به مسافت‌های دور را با چالش مواجه می‌کند، زیرا فیبرهای نوری طولانی‌تر به معنای فرصت بیشتر برای تداخل نویز با حالت‌های درهم‌تنیده‌ی کواننتومی است و این موضوع، یک مشکل بزرگ در مسیر توسعه‌ی اینترنت کوانتومی به‌شمار می‌رود.


اما در این مطالعه که در نشریه‌ی PRX Quantum منتشر شده، در مجموع طول فیبرهای استفاده شده برای هدایت هر کیوبیت به ۴۴ کیلومتر افزایش یافته و بدین ترتیب قید تازه‌ای برای توانایی فرستادن کیوبیت‌های درهم‌تنیده شکل می‌گیرد و در عین حال «دورنوردی» (Teleport) اطلاعات کوانتومی، همچنان با دقت بالایی انجام می‌شود.


پیش از این انتقال کوانتومی داده‌ها تا چنین مسافتی و با این دقت انجام نشده بود و این آزمایش، ساخت یک شبکه‌ی کوانتومی در ابعاد شهر را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند، حتی اگر هنوز سال‌ها کار برای اجرایی شدن آن در پیش باشد. اسپنتزوریس در این زمینه خاطرنشان کرد: «با این نتایج، ما تأسیس بنیادی برای ایجاد یک شبکه‌ی کوانتومی شهری در منطقه‌ی شیکاگو را آغاز می‌کنیم.»


درهم‌تنیدگی کوانتومی و انتقال داده‌ها از راه دور، یک موضوع علمی پیچیده است و حتی متخصصان هم به طور کامل نمی‌دانند که این علم در نهایت چگونه می‌تواند در یک شبکه‌ی کوانتومی به‌ کار رود. هر مدرکی از مفاهیمی که مانند این به‌دست می‌آوریم، ما را کمی به تحقق چنین شبکه‌ای نزدیک‌تر می‌کند.


مزایای اینترنت کوانتومی


اینترنت کوانتومی همان‌طور که نوید افزایش چشمگیر سرعت و قدرت پردازش اطلاعات را می‌دهد، بسیار ایمن هم خواهد بود. هرگونه تلاش برای هک کردن شبکه‌ی اینترنت کوانتومی، به اندازه‌ی از بین بردن کامل قفل یک در برای باز کردن آن، دشوار است. بدین ترتیب حداقل در حال حاضر، دانشمندان فکر می‌کنند که شبکه‌های اینترنت کوانتومی به جای یک جایگزین کامل، به‌عنوان افزونه‌های تخصصی برای اینترنت کلاسیک عمل خواهند کرد.


هم‌اکنون پژوهشگران در حال رفع مشکلات اینترنت کوانتومی از زاویه‌های گوناگون هستند و به همین دلیل آزمایش‌های مختلف انجام و فاصله‌های متفاوتی برای انتقال داده‌ها بررسی می‌شود. به عبارت دیگر همه‌ی آزمایش‌ها از استانداردهای یکسان، تجهیزات مشابه و فناوری یکسان استفاده نمی‌کنند.


آنچه این مطالعه‌ی اخیر را ویژه می‌کند، دقت و فاصله‌ی تله‌پورت درهم‌تنیدگی کوانتومی و همچنین استفاده از تجهیزاتی با دسترسی آسان است. بدین ترتیب افزایش مقیاس این فناوری به ابعاد بزرگ‌تر، با استفاده از سخت‌افزارهایی که هم‌اکنون دراختیار داریم، از نظر تئوری نسبتا آسان است.


«ماریا اسپیروپولو» (Maria Spiropulu) فیزیکدان مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا و پژوهشگر همکار در این مطالعه گفت: «ما افتخار می‌کنیم که به این موفقیت مهم در سامانه‌های دورنوردی کوانتومی پایدار، با عملکرد بالا و مقیاس‌پذیر دست یافته‌ایم و انتظار داریم که با به‌روزآوری سیستم که در سه ماهه‌ی دوم سال ۲۰۲۱ تکمیل می‌شود، نتایج بیشتر هم بهبود یابند.»

عکس کاور: طرحی گرافیکی از درهم‌تنیدگی کوانتومی


Credit: NIST


منبع: Science Alert