اینترنت کوانتومی دیگر نیاز به زیرساخت جدید ندارد

ایسنا/ اینترنت کوانتومی مدت‌ها شبیه به فیلم‌های علمی–تخیلی به نظر می‌رسید. آینده‌ای که در آن رایانه‌های کوانتومی اطلاعات را به‌صورت فوری و امن در سراسر فواصل عظیم به اشتراک می‌گذارند. اما نکته‌ی منفی آن‌ها این بود که اطلاعات کوانتومی آن‌قدر آسیب‌پذیر هستند که معمولا هنگام انتقال از طریق شبکه‌های عادی فرو می‌پاشد. اکنون، پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا با یک رویکرد ترکیبی هوشمندانه گام بزرگی به‌سوی حل این مشکل برداشته‌اند. سیگنال‌های نوری عادی کار هدایت را انجام می‌دهند، در حالی که داده‌های کوانتومی همچون یک مسافر محافظت‌شده همراه آنها هستند.

دانشمندان آن چه را که اینترنت کوانتومی هدایت‌شده با سیگنال‌های کلاسیک می‌نامند، ساخته‌اند. اساسا، این یک سیستم است که در آن سیگنال‌های نوری معمولی به سبک اینترنت امروزی نقش مدیر را ایفا می‌کنند، اطمینان حاصل می‌کنند که اطلاعات کوانتومی می‌دانند کجا بروند و چگونه در طول مسیر دست‌نخورده باقی بمانند در حالی که از کابل‌های فیبر نوری موجود عبور می‌کنند. به جای ساخت یک زیرساخت کاملا کوانتومی جدید، پژوهشگران نشان دادند که اطلاعات کوانتومی می‌توانند «سوار» همان شبکه‌هایی شود که همین حالا زیر پای ما قرار دارند.

---

بازار

---

به نقل از اس‌اف، این شبیه این است که یک بسته‌ی شکننده را از طریق پست بفرستید، اما با یک محافظ زرهی. خود داده‌ی کوانتومی دست نخورده باقی می‌ماند اما سیگنال‌های کلاسیک برچسب‌های آدرس را حمل می‌کنند در هر تقاطع ترافیک را هدایت می‌کنند و حتی نسبت به موانع مسیر هشدار می‌دهند.

بخشی از تجهیزاتی که برای ساخت یک گره از شبکه‌ی کوانتومی استفاده شد، تقریبا در فاصله‌ی یک کیلومتری کابل فیبر نوری تجاری از منبعش قرار داشت.

چرا سیگنال‌های کلاسیک تفاوت ایجاد می‌کنند

اطلاعات کوانتومی هیچ شباهتی به چیزهایی که در زندگی روزمره داریم، ندارد. برخلاف بیت‌های رایانه‌ای عادی، که یا صفر یا یک هستند، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها می‌توانند همزمان صفر و یک باشند. همین ویژگی است که رایانه‌های کوانتومی را قدرتمند و در عین حال بسیار ظریف می‌سازد اما لحظه‌ای که بخواهید به‌طور مستقیم داده‌ی کوانتومی را اندازه‌گیری کنید، فرو می‌پاشد.

تلاش‌های گذشته برای ساخت شبکه‌های کوانتومی بر مسیرهای سخت و از پیش تعیین‌شده و کنترل‌کننده‌های مرکزی متکی بودند. این تنظیمات برای دنیای واقعی بیش از حد دست‌وپاگیر بودند. محققان پنسیلوانیا این مدل را وارونه کرد و «بسته‌های ترکیبی» طراحی کرد که آدرس‌ها و دستورالعمل‌ها را همراه با یک بار کوانتومی در خود می‌گنجاند، مشابه همان روشی که بسته‌های اینترنتی امروزی هم داده و هم فراداده را حمل می‌کنند.

در قلب این سیستم یک تراشه‌ی ویژه از نیترید سیلیکون قرار دارد. یک لیزر با طول موج ۱۵۵۰٫۹۲ نانومتر وارد تراشه می‌شود و تقسیم می‌شود. یک مسیر، سیگنال‌های سرآیند کلاسیک ایجاد می‌کند، در حالی که مسیر دیگر جفت فوتون‌های درهم‌تنیده یا داده‌های کوانتومی با طول موج‌های ۱۵۴۷٫۷۲ و ۱۵۵۴٫۱۳ نانومتر تولید می‌کند. با نگه داشتن این‌ها در طول موج‌های جداگانه، سیگنال‌های کلاسیک و کوانتومی می‌توانند با هم سفر کنند بدون آنکه با یکدیگر تداخل پیدا کنند.

آزمایش در محیط واقعی دانشگاه نشان داد که سیستم کار می‌کند

برای دیدن اینکه آیا این ایده می‌تواند شرایط دنیای واقعی را تحمل کند، پژوهشگران سیستم خود را در سراسر محوطه‌ی دانشگاه پنسیلوانیا آزمایش کردند. کابل‌های فیبر نوری زیرزمینی دو ساختمان را در فاصله‌ی حدود یک کیلومتر متصل کردند. این مطالعه، نویز، تغییرات دما و لرزش‌های شبکه‌های روزمره را شبیه‌سازی کرد.

سیستم با موفقیت اطلاعات کوانتومی را از طریق تنظیمات مختلف از مسیرهای ساده با دو مقصد گرفته تا پیکربندی‌های چندمسیره با ۶ مسیر ممکن هدایت کرد. بسته به پیچیدگی شبکه، دقت مسیریابی بین ۹۱٫۶ درصد تا ۹۷٫۱ درصد متغیر بود. مهم‌تر از همه، درهم‌تنیدگی شکننده‌ی کوانتومی سفر را سالم پشت سر گذاشت. پس از انتقال همراه با اجرای اصلاح خطا، پایداری درهم‌تنیدگی بالا باقی ماند و بدون اصلاح خطا، وفاداری به حدود ۵۹ درصد افت کرد.

اصلاح خطای در لحظه بدون لمس حالت‌های کوانتومی

یکی از دشوارترین جنبه‌های شبکه‌سازی کوانتومی اصلاح خطاهاست، بدون آنکه داده در این فرآیند آسیب ببیند. راه‌حل دانشمندان پنسیلوانیا ساده اما قدرتمند بود. آنها از نور کلاسیک به‌عنوان جانشین استفاده کردند. از آنجا که هم سیگنال‌های کلاسیک و هم کوانتومی از یک فیبر عبور می‌کنند، هر دو همان اختلالات ناشی از گرما، لرزش یا خم‌شدگی کابل را تجربه می‌کنند. با پایش اینکه سیگنال‌های کلاسیک چگونه دچار اعوجاج می‌شوند، سیستم می‌تواند شرایط را در زمان واقعی تنظیم کند تا داده‌ی کوانتومی ایمن بماند.

در عمل، تراشه حالت‌های قطبش کلاسیک متفاوتی را از طریق فیبر ارسال می‌کند، تغییرات آن‌ها را شناسایی می‌کند، و سپس اجزای کوچک روی تراشه را به‌روزرسانی می‌کند تا اختلال قبل از رسیدن به بار کوانتومی خنثی شود. هر چرخه‌ی اصلاح حدود ۳٫۲ میلی‌ثانیه طول می‌کشد و هر ۱۰۰ میلی‌ثانیه تکرار می‌شود. در یک آزمایش پنج‌ساعته، سیستم پایداری کوانتومی را بالای ۹۷ درصد با اصلاح فعال نگه داشت.

چه زمانی اینترنت کوانتومی از راه می‌رسد؟

این پژوهش نشان می‌دهد که اینترنت کوانتومی عملی شاید نیازمند کندن جاده‌ها یا پهن کردن کابل‌های کاملا جدید نباشد. در عوض، می‌تواند همچون یک ارتقا بر روی شبکه‌های فیبر نوری امروزی رشد کند. محققان پنسیلوانیا حتی نشان دادند که بسته‌های ترکیبی آن‌ها می‌تواند، در اصل، با پروتکل‌های استاندارد اینترنتی ادغام شود؛ همان‌هایی که لپ‌تاپ شما هر روز از آن‌ها استفاده می‌کند.

چنین شبکه‌ای می‌تواند روزی ارتباطات فوق ‌امن را ممکن سازد، رایانه‌های کوانتومی را در سراسر قاره‌ها به هم متصل کند و سامانه‌های حسگری قدرتمند تازه‌ای ایجاد کند. در حال حاضر، این آزمایش در مقیاس پردیس باقی می‌ماند و با سرعت‌های نسبتا پایین معادل تقریبا ۱۰ کیلوبیت بر ثانیه کار می‌کند. با این حال، پژوهشگران یادآور می‌شوند که استفاده از مواد متفاوت، مانند لیتیوم نیوبات، می‌تواند این سرعت را به محدوده‌ی گیگاهرتز افزایش دهد، که برای پشتیبانی از صدها یا حتی هزاران گره‌ی شبکه کافی خواهد بود.

به بیان ساده، واحدهای سازنده‌ی اینترنت کوانتومی ممکن است همین حالا اینجا باشند نه در آینده‌ای دور، بلکه پنهان در همان خطوط فیبری که تماس‌های تصویری ما را حمل می‌کنند.

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله