اینترنت کوانتومی در راه است
زوميت/ دانشمندان با توسعهي شبکههاي کوانتومي بهدنبال فراهم کردن بستري امن براي انتقال ايمن و سريع اطلاعات هستند. اينترنت کنوني به زمين بازي هکرها تبديل شده است. از اتصالهاي ناامن ارتباطي تا دادههايي که بهخوبي در کلود حفاظت نميشوند، آسيبها همهجا هستند؛ اما فيزيکدانهاي کوانتومي ميتوانند اين آسيبها را به حداقل برسانند. هدف دانشمندان، توسعهي شبکههاي کاملا کوانتومي است که اطلاعات آنها براساس ويژگيهاي عجيب دنياي کوانتومي، توليد، ذخيره يا جابهجا ميشوند. براي مثال گربههايي را در نظر بگيريد که در هر دو حالت زنده و مرده يا ذراتي که قادر به کارهاي شبحوار از فاصلهي دور هستند، فعاليت ميکنند. اين سيستمها که با مشکلات شبکههاي کلاسيک روبهرو نيستند، ميتوانند سطحي از حريم خصوصي، امنيتي و توان محاسباتي را فراهم کنند که دستيابي به آنها با اينترنت کنوني غيرممکن است. اگرچه پيادهسازي کامل شبکههاي کوانتومي هنوز چشماندازي دور از دسترس است، اما پيشرفتها و تحولات اخير در انتقال، ذخيرهسازي و دستکاري اطلاعات کوانتومي برخي فيزيکدانها براي رسيدن به يک اثبات سادهي مفهومي متقاعد کرده است. اينترنت کوانتومي ايمن از ترکهاي داخل الماس و کريستال که به تغيير رنگ فوتونها کمک ميکنند تا پهپادهايي که نقش گرههاي شبح شبکه را ايفا ميکنند، پژوهشگرها با مجموعهاي از روشها و مصالح به جستجوي کوانتومي خود ادامه ميدهند. اولين مرحله براي رسيدن به اين هدف، ساخت شبکهاي کوانتومي است که از فيبر نوري استاندارد براي اتصال حداقل سه دستگاه کوانتومي در فواصل ۵۰ تا ۱۰۰ کيلومتري استفاده ميکند. به عقيدهي بن لانيون از مؤسسهي اپتيک کوانتوم و اطلاعات کوانتومي اينسبروک اتريش، امکان ساخت چنين شبکهاي در پنج سال آينده وجود دارد. تيم لانيون بخشي از اتحاديه اينترنت کوانتومي اروپا است که رهبري آن برعهدهي استفاني وهنر از دانشگاه فناوري دلفت هلند است و هدف آن ساخت يک شبکهي کوانتومي است. اروپا در اين مسير با پروژههاي ملي چين (چين در سال ۲۰۱۶ موفق به اجراي ماهوارهي ارتباط کوانتومي ميسيوس شد) و همچنين ايالاتمتحده به رقابت ميپردازد. دولت ايالاتمتحده در دسامبر سال گذشته، مصوبهي ملي نوآوري کوانتومي (National Quantum Initiative Act) را تصويب کرد. طي اين مصوبه، سرمايهاي اختصاصي براي پژوهشهاي کوانتومي در اختيار قطبهاي پژوهشي قرار گرفت. بهگفتهي رونالد هنسون از دانشگاه دلفت، ويژگي اصلي شبکهي کوانتومي ارسال اطلاعات کوانتومي بهجاي اطلاعات کلاسيک است. اطلاعات کلاسيک بهصورت بيتي با مقادير صفر و يک منتقل ميشود؛ اما اطلاعات کوانتومي به شکل بيتهاي کوانتومي يا کيوبيت منتقل ميشود که ميتواند به شکل برهمنهي همزمان صفر و يک باشد. براي مثال ميتوان کيوبيتها را براساس وضعيتهاي دوقطبي فوتون يا وضعيت اسپين الکترون و هستهي اتمي رمزنگاري کرد. در مکانيک کوانتوم، اسپين شکلي بنيادي از تکانهي زاويهاي ذرات بنيادي ازجمله الکترون است. شبکهسازي کوانتومي در آنچه هنسون «مسئلهي سادهي شبکههاي کوانتومي» ميخواند، ميتوان از کيوبيتها براي ساخت کليدهاي مخفي (رشتههاي تصادفي صفر و يک) استفاده کرد. از کليدهاي مخفي هم ميتوان در روشي به نام توزيع کليک کوانتومي (QKD) براي رمزنگاري اطلاعات کلاسيک استفاده کرد. براي مثال يکي از طرفين QKD آليس، کيوبيتها را براي طرف ديگر به نام باب ارسال ميکند و باب وظيفهي ارزيابي کيوبيت را برعهده دارد (آليس و باب براي اولينبار در مقالهاي با موضوع رمزنگاري کليد عمومي در سال ۱۹۸۷ ظاهر شدند و حالا به نگهدارندههاي گره در شبکهي کوانتومي 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 يک کانال عمومي مقايسه کنند و بدون اشتراکگذاري مقادير کيوبيت به محاسبهي ارزيابيها بپردازند. سپس ميتوانند از مقادير خصوصي براي ساخت يک کليد مخفي مشترک و رمزنگاري پيغامهاي کلاسيک استفاده کنند. درصورتيکه يک متجاوز بهدنبال استراق سمع از کيوبيتها باشد، آليس و باب نفوذ را تشخيص ميدهند، کيوبيتها را حذف ميکنند و تبادل پيام را از ابتدا شروع ميکنند. از ديدگاه تئوري تا زمانيکه کسي روي کانال کوانتومي به استراق سمع نپرداخته است، به کار خود ادامه ميدهند. در ژوئيهي سال گذشته، آلبرتو بايرون و همکاران او از دانشگاه ژنو سوئيس، با استفاده از QKD موفق به توزيع کليدهاي مخفي با سرعت ۶.۵ کيلوبيت بر ثانيه، روي رکوردي در مسافت بيش از ۴۰۰ کيلومتر فيبر نوري شدند. در مقابل، سيستمهاي تجاري ازجمله سيستم ID Quantique(شرکتي در ژنو) از QKD روي ۵۰ کيلومتر فيبر نوري استفاده ميکنند. آليس و باب شبح ميشوند در شرايط ايدهآل، شبکههاي کوانتومي فراتر از QKD عمل ميکنند. گام بعدي، انتقال مستقيم وضعيتهاي کوانتومي بين گرهها است. کيوبيتهاي رمزنگاريشده براساس فوتون دوقطبي را ميتوان روي فيبرهاي نوري ارسال کرد (مانند روش QKD)، اما استفاده از چنين کيوبيتهايي براي انتقال حجم زيادي از اطلاعات کوانتومي مشکلساز است زيرا احتمال پراکنده شدن يا جذب فوتونها در طول مسير يا خطاي ثبت در آشکارساز وجود دارد و بهاينترتيب کانال انتقال غيرايمن خواهد شد. خوشبختانه ميتوان ازطريق يکي از ديگر خصوصيات سيستم کوانتومي به نام وابستگي کوانتومي (quantum entanglement) به روش پايدارتري براي تبادل اطلاعات کوانتومي رسيد. وقتي دو ذره يا سيستم کوانتومي با يکديگر ارتباط برقرار ميکنند، احتمال وابسته شدن آنها وجود دارد. پس از وابسته شدن هر دو سيستم براساس يک وضعيت کوانتومي واحد توصيف ميشوند، بنابراين ارزيابي وضعيت يک سيستم بلافاصله بر وضعيت سيستم ديگر تأثير ميگذارد، ولو دو سيستم کيلومترها از يکديگر فاصله داشته باشند. اينشتين وابستگي را «عمليات شبحوار بافاصله» توصيف ميکند. اين تعريف منبع ارزشمندي براي شبکههاي کوانتومي است. در صورت تشخيص استراق سمع، دو طرف ميتوانند مبادله را از سر بگيرند براي مثال دو گرهي شبکه يعني آليس و باب را در نظر بگيريد که هرکدام از چند بيت منزوي ماده ساختهشدهاند (واضحترين و مطمئنترين زيرلايه براي رمزنگاري و ذخيرهسازي وضعيتهاي کوانتومي). گرههاي ماده را ميتوان ازطريق فرايند مبادلهي فوتونهاي وابسته به يکديگر وابسته کرد. آليس با گرههاي وابسته ميتواند از سهم وابستگي خود براي ارسال يک کيوبيت کامل به باب استفاده کند، در اين فرايند بدون نياز به ارسال کيوبيت فيزيکي، انتقال بهصورت امن و ضدفريب انجام ميشود. در اين مبادله، پس از ايجاد وابستگي بين گرهها، پروتکل انتقال کيوبيت از آليس به باب پايدار و قطعي است. اما براي انتقال در مسيرهاي طولاني يکي از طرفين بايد به توزيع وابستگي بپردازد (معمولا ازطريق شبکههاي استاندارد فيبر نوري اين کار را انجام ميدهند). در ماه ژانويه، تيم لانيون در اينسبروک موفق به تنظيم رکورد براي ايجاد وابستگي بين ماده و نور روي ۵۰ کيلومتر فيبر نوري شدند. ليون از يون محصور بهعنوان ماده استفاده کرد (تک يون کلسيوم محدود به يک کاواک اپتيکي که از ميدانهاي مغناطيسي استفاده ميکند). يون پسازآنکه با ليزر تغيير داده شد، يک کيوبيت را بهصورت برهمنهي دو وضعيت انرژي رمزنگاري ميکند و با رمزنگاري يک کيوبيت براساس وضعيتهاي دوقطبي يک فوتون منتشر ميکند. کيوبيتهاي موجود در يون و فوتون به يکديگر 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 ميکند، درنتيجه فوتون داخل فيبر نوري دوام نميآورد. تيم لانيون براي حل اين مشکل، فوتون منتشرشده را به داخل يک کريستال غيرخطي ارسال کردند که با ليزر قدرتمند پر شده است. با اين کار فوتون به موج مخابراتي سازگار با فيبرهاي نوري تبديل ميشود. در مرحلهي بعدي، آنها فوتون را به فيبر نوري ۵۰ کيلومتري تزريق کردند. پسازآنکه فوتون به آن سوي فيبر رسيد، تست يون و فوتون را براي بررسي وابستگي آنها آغاز کردند. جابهجايي وابستگيها تيم لانيون ميخواهد دو يون محصور را به يکديگر وابسته کند که ۱۰۰ کيلومتر با يکديگر فاصله دارند. هر گره، يک فوتون وابسته را ازطريق ۵۰ کيلومتر فيبر نوري به ايستگاهي در ميانهي راه ارسال ميکند. در اين ايستگاه، فوتونها بهگونهاي ارزيابي ميشوند که وابستگي به يونهاي مرتبط خود را از دست ميدهند و به يکديگر وابسته ميشوند. درنتيجه، دو گره در فاصلهي ۱۰۰ کيلومتري هرکدام ازطريق يک زوج کيوبيت وابسته، يک اتصال کوانتومي را تشکيل 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 که چگونه ميتوان يک نوع متفاوت گره را به فوتون طولموج مخابراتي وابسته کرد. آنها از ترک الماس بهعنوان مرکز تهي نيتروژني (NV) استفاده ميکنند. اين ترک زماني به وجود ميآيد که يک اتم نيتروژن با يک اتم کربن در ساختار کريستالي الماس جايگزين شود و به اين صورت فضايي خالي در شبکهي کريستالي مجاور اتم نيتروژني ايجاد ميشود. پژوهشگرها از ليزر براي تغيير اسپين الکترون آزاد در مرکز NV الماس استفاده کردند تا الکترون را در وضعيت برهمنهي اسپين قرار دهند و به اين صورت به رمزنگاري يک کيوبيت بپردازند. اين فرايند منجر به نشر فوتون هم ميشود. اين فوتون در برهمنهي منتشرشده در يکي از دو شيار زماني متوالي قرار دارد. بهگفتهي هنسون، فوتون هميشه همانجا است اما در برهمنهي وضعيت اول يا آخر قرار دارد. کيوبيتي که در اسپين الکترون ذخيره شده است و کيوبيتي که در حضور يا غياب فوتون در شيارهاي زماني منتشر ميشود، در اين مرحله به يکديگر وابسته ميشوند. در سال ۲۰۱۵، تيم دلفت دو گرهي مجزاي فضايي که از مراکز الماس NV ساخته شده بودند را در فاصلهي ۱.۳ کيلومتري از يکديگر قرار دادند؛ دو گره با فيبر نوري به يکديگر وصل شده بودند. آنها در مرحلهي بعدي يک فوتون وابسته از هر گره را به نقطهاي در ميانهي مسير فرستادند. در اين نقطه با جابهجايي وابستگي، دو مرکز NV به يکديگر 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 که به ازاي هر کيلومتر، از شدت آنها کاسته ميشود و پس از طي چند کيلومتر ديگر نميتوانند به مسير خود ادامه دهند. بنابراين تيم دلفت در ماه مه، طرحي جبراني مشابه طرح اينسبروک ارائه داد. آنها از کريستالهاي غيرخطي و ليزر براي تبديل فوتون به طولموجهاي مخابراتي استفاده کردند. در اين روش، کيوبيتها توسط مرکز NV رمزنگاري ميشوند؛ وابستگي فوتون طولموج مخابراتي حفظ ميشود و بهاينترتيب زمينه براي جابهجايي وابستگي بين گرههاي مرکز 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 مراکز NV الماس در فاصلهي ۳۰ کيلومتري ازطريق جابهجايي وابستگي است. او ميگويد: ما در حال ساخت اين گرهها هستيم. از فيبر شيشهاي براي وابستگي دو مرکز NV استفاده ميکنيم. هدف بعدي آنها وابستهسازي گرهها با استفاده از زيرساختهاي فيبري موجود بين سه شهر هلند است. مسافت اين شهرها براي اين آزمايش مناسب است. ترکيب و تطبيق: چالشهاي پيش رو تيمهاي دلفت و اينسبروک هرکدام تنها از يک نوع ماده براي ذخيرهسازي و وابستهسازي کيوبيتها استفاده ميکنند؛ اما ممکن است در شبکههاي کوانتومي واقعي بسته به نوع عمليات (رايانش کوانتومي يا ادراک کوانتومي) از انواع مختلف ماده براي هر گره استفاده شود؛ و گرههاي کوانتومي علاوهبر دستکاري کيوبيتها ميتوانند آنها را براي مدت کوتاهي در حافظههاي کوانتومي ذخيره کنند. مارچل لي گريمارو پويگبرت از دانشگاه بازل سوئيس ميگويد: پلتفرم و پروتکل مناسب هنوز کاملا مشخص نيستند. هميشه بهتر است چند سيستم هيبريدي مختلف به يکديگر وصل شوند. پويگبرت با همکاري تيم ولفگانگ تيتل در دانشگاه کالگري، به روشي براي وابستگي کيوبيتهاي ذخيرهشده در مواد مختلف رسيدهاند. آنها براي شروع از منبعي استفاده کردند که زوج فوتونهاي وابسته را منتشر ميکند. طولموج يکي از فوتونها ۷۹۴ و ديگر ۱۵۳۵ نانومتر است. فوتون ۷۹۴ نانومتري با کريستال ليتيوم نيوبات اشباعشده با توليوم واکنش ميدهد بنابراين حالت فوتون در کريستال ذخيره ميشود. فوتون ۱۵۳۵ نانومتري هم وارد فيبر اشباعشده با اربيوم ميشود و وضعيت کوانتومي را ذخيره ميکند. هر دو حافظه براي نشر مجدد فوتونها در زماني مشخص طراحي شدهاند. پژوهشگرها پس از بررسي فوتونهايي که مجددا منتشر شدند، متوجه شدند فوتونها وابستگي خود را حفظ کردهاند. درنتيجه، حافظههاي کوانتومي درست قبل از نشر فوتونها وابسته شدهاند و بنابراين وابستگي بهمرورزمان حفظ ميشود. از الماس و پهپاد ميتوان براي برقراري ارتباط بين دو گرهي کوانتومي استفاده کرد طولموج فوتونها بهگونهاي طراحي شده است که ميتوانند سيستمهاي ارسال متفاوت را به يکديگر وصل کنند: فيبرهاي نوري در يک سمت (۱۵۳۵ نانومتري) و ارتباطات ماهوارهاي در سمت ديگر (۷۹۴ نانومتر) قرار دارند. دليل اهميت ارتباطات ماهوارهاي توزيع وابستگي در شبکههاي کوانتومي بينقارهاي است. در سال ۲۰۱۷ تيمي با رهبري جيان وي پان از دانشگاه علوم و فناوري چين از ماهوارهي کوانتومي ميسيوس، براي توزيع وابستگي بين ايستگاههاي زميني فلات تبت و جنوب غرب چين استفاده کرد. اما ماهوارهها هنوز هم گزينهي پرهزينهاي براي شبکههاي کوانتومي هستند. بهترين انتخاب بعدي ميتواند پهپادهاي نسبتا کمهزينه باشد. در ماه مه، شي نينگ ژو از دانشگاه نانجينگ و همکاران او گزارش دادند که از يک پهپاد ۳۵ کيلوگرمي براي ارسال فوتونهاي وابسته به دو گرهي کوانتومي در فاصلهي ۲۰۰ متري روي زمين استفاده کردهاند. در اين آزمايش براي تأييد دريافت فوتونهاي وابسته از اتصال ارتباطي کلاسيک بين گرهها استفاده شد. اين آزمايش در شرايط بهشدت متغير مثل نور خورشيد و تاريکي و حتي در شبهاي باراني با موفقيت پيش رفت. درصورتيکه 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 کيلومتر هم توسعه داد. هنوز بر سر پيادهسازي کامل شبکهي عملياتي کوانتومي موانعي وجود دارد. يکي از آنها حافظههاي کوانتومي امن است. يکي از مهمترين بخشهاي پيادهسازي، توانايي توسعهي دسترسي اتصال کوانتومي به مناطق دوردست با استفاده از تکرارکنندههاي کوانتومي است. وضعيت کوانتومي مانند اطلاعات کلاسيک قابل کپي يا قابل بازگشت نيست. گرههاي کوانتومي در مواجهه با اتلاف حاصل از ارتباط با محيط، براي حفظ وابستگي به گيتهاي پيچيدهي منطقي نياز دارند و بهگفتهي لانيون اين مسئله يکي از بزرگترين چالشهاي پيش رو است. بااينحال عناصر اوليهي قرار گرفتن براي ساخت يک شبکهي کوانتومي که حداقل سه شهر را به هم وصل کند فراهم است و شايد روزي اين ارتباط بهکل دنيا برسد. بهگفتهي هنسون: ما امروزه پلتفرمهايي داريم که ميتوانيم در آنها براي اولينبار به بررسي شبکههاي واقعي کوانتومي بپردازيم. هيچ تضميني وجود ندارد؛ اما باوجود گروه خوبي که داريم، ميتوانيم موفقيت خود را تضمين کنيم.