Gerdab.IR | گرداب

به گزارش گرداب، ممکن است شبیه یک مفهوم علمی تخیلی به نظر برسد، اما ساخت شبکه‌های کوانتومی یک جاه‌طلبی کلیدی برای بسیاری از کشور‌های سراسر جهان است. اخیراً وزارت دفاع ایالات متحده اولین طرح در نوع خود را منتشر کرد که یک استراتژی گام به گام برای تحقق رویای اینترنت کوانتومی، حداقل به شکل بسیار مقدماتی، طی چند سال آینده ترسیم می‌کند. هدف اصلی این است که آن را در برابر هرگونه هک سایبری غیرقابل نفوذ کند.

وزارت انرژی می‌گوید: «کل شیوه زندگی ما را دگرگون خواهد کرد». انتظار می‌رود که نزدیک به ۶۲۵ میلیون دلار بودجه فدرال به این پروژه اختصاص یابد. امریکا برای نشان دادن علاقه شدید به مفهوم ارتباطات کوانتومی به اتحادیه اروپا و چین پیوسته است. اما اینترنت کوانتومی دقیقا چیست، چگونه کار می‌کند و چه شگفتی‌هایی می‌تواند انجام دهد؟

اینترنت کوانتومی چیست؟

یک اینترنت کوانتومی می‌تواند حجم زیادی از داده را در فواصل بسیار زیاد با سرعتی فراتر از سرعت نور انتقال دهد. دانشگاهیان، محققان و متخصصان فناوری اطلاعات باید دستگاه‌هایی را برای زیرساخت اینترنت کوانتومی از جمله: روتر‌های کوانتومی، تکرارکننده ها، دروازه‌ها، هاب‌ها و سایر ابزار‌های کوانتومی ایجاد کنند.

بر اساس این ایده که اینترنت کوانتومی به موازات اکوسیستم فعلی شرکت‌هایی که در اینترنت معمولی داریم، وجود دارد، یک صنعت کاملاً جدید متولد خواهد شد. انتظار می‌رود که سازمان‌های بزرگ برای حفاظت از داده‌ها به اینترنت کوانتومی تکیه کنند، اما مصرف‌کنندگان فردی به استفاده از اینترنت کلاسیک ادامه خواهند داد.
کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که بخش مالی از اینترنت کوانتومی برای امنیت تراکنش‌های آنلاین سود خواهد برد. انتظار می‌رود بخش‌های بهداشت و درمان و بخش‌های دولتی نیز مزایایی را ببینند. محاسبات کوانتومی علاوه بر ارائه یک تجربه اینترنتی سریعتر و ایمن‌تر، سازمان‌ها را برای حل مشکلات پیچیده، مانند مدیریت زنجیره تامین، یاری می‌دهد.

اینترنت کوانتومی شبکه‌ای است که به دستگاه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا برخی از اطلاعات را در محیطی که قوانین مکانیک کوانتومی را مهار می‌کند، تبادل کنند. در تئوری، این به اینترنت کوانتومی قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای می‌دهد که انجام آن با برنامه‌های کاربردی وب امروزی غیرممکن است. در دنیای کوانتومی، داده‌ها را میتوان در حالت کیوبیت‌ها رمزگذاری کرد که می‌تواند در دستگاه‌های کوانتومی مانند یک کامپیوتر کوانتومی یا یک پردازنده کوانتومی ایجاد شود.

اینترنت کوانتومی، به زبان ساده، شامل ارسال کیوبیت‌ها در شبکه‌ای از چندین دستگاه کوانتومی است که به صورت فیزیکی از هم جدا شده‌اند. مهمتر از همه، همه این‌ها به لطف ویژگی‌های منحصر به فرد حالت‌های کوانتومی است که اتفاق می¬افتد. اینترنت کوانتومی ممکن است شبیه به اینترنت استاندارد کنونی به نظر برسد، اما ارسال کیوبیت‌ها از طریق یک کانال کوانتومی، به جای یک کانال کلاسیک، به طور موثر به معنای اعمال نفوذ ذرات در کوچکترین مقیاس آن‌ها است.

اما چه نوع اطلاعاتی را می‌توانیم با کوانتوم مبادله کنیم؟ به طور خلاصه، چیز زیادی نیست که اکثر کاربران به آن عادت دارند. بنابراین، حداقل برای چند دهه آینده، نباید انتظار داشته باشید که روزی بتوانید به جلسات زوم کوانتومی بروید. مرکز ارتباطات کوانتومی این واقعیت است که کیوبیت‌ها که قوانین اساسی مکانیک کوانتومی را مهار می‌کنند، رفتار بسیار متفاوتی با بیت‌های کلاسیک دارند.

همانطور که داده‌ها را رمزگذاری می‌کند، یک بیت کلاسیک به طور موثر می‌تواند تنها یکی از دو حالت باشد. همانطور که یک کلید چراغ باید روشن یا خاموش باشد، یک بیت نیز باید ۰ یا ۱ باشد. در عوض، کیوبیت‌ها روی هم قرار می‌گیرند: آن‌ها می‌توانند ۰ و ۱ به طور همزمان باشند. کل این پدیده برهم نهی نامیده می‌شود و در هسته مکانیک کوانتومی قرار دارد. البته باید گفت که جای تعجب نیست که کیوبیت‌ها نمی‌توانند برای ارسال نوع داده‌هایی که با آن آشنا هستیم، مانند ایمیل‌ها و پیام‌های واتس‌اپ، استفاده شوند. اما رفتار عجیب کیوبیت‌ها فرصت‌های بزرگی را در دیگر برنامه‌های کاربردی دیگر باز می‌کند.

یکی از مهیج‌ترین راه‌هایی که محققان مسلح به کیوبیت‌ها در حال بررسی آن هستند، امنیت است. وقتی صحبت از ارتباطات کلاسیک می‌شود، بیشتر داده‌ها با توزیع یک کلید مشترک بین فرستنده و گیرنده، و سپس استفاده از این کلید مشترک برای رمزگذاری پیام، ایمن می‌شوند. سپس گیرنده می‌تواند از کلید خود برای رمزگشایی داده‌ها در انتهای خود استفاده کند. امنیت بیشتر ارتباطات کلاسیک امروزه مبتنی بر الگوریتمی برای ایجاد کلید‌هایی است که شکستن آن برای هکر‌ها دشوار است، اما غیرممکن نیست.

به همین دلیل است که محققان به دنبال «کوانتومی کردن» این فرآیند ارتباطی هستند. این مفهوم در هسته یک حوزه نوظهور امنیت سایبری به نام توزیع کلید کوانتومی (QKD) قرار دارد. QKD به این صورت کار می‌کند که یکی از دو طرف، بخشی از داده‌های کلاسیک را با رمزگذاری کلید رمزنگاری بر روی کیوبیت‌ها رمزگذاری می‌کند. سپس فرستنده آن کیوبیت‌ها را به شخص دیگر ارسال می‌کند که کیوبیت‌ها را اندازه‌گیری می‌کند تا مقادیر کلیدی را بدست آورد. اندازه‌گیری باعث فروپاشی حالت کیوبیت می‌شود.

اما این مقداری است که در طول فرآیند اندازه‌گیری خوانده می‌شود که مهم است. کیوبیت، به نوعی، فقط برای انتقال مقدار کلید وجود دارد. مهمتر از همه، QKD به این معنی است که به راحتی میتوان فهمید که آیا شخص ثالثی در حین انتقال کیوبیت‌ها را استراق سمع کرده است، زیرا نفوذگر صرفاً با نگاه کردن به کلید باعث می‌شود کلید از بین برود. اگر یک هکر در هر نقطه‌ای از کیوبیت‌ها در هنگام ارسال آن‌ها را نگاه کند، این امر به طور خودکار وضعیت کیوبیت‌ها را تغییر می‌دهد. یک جاسوس به ناچار نشانه‌ای از استراق سمع را پشت سر می‌گذارد - به همین دلیل است که رمزنگاران معتقدند که QKD به طور قابل اثبات ایمن است.

فناوری QKD در مراحل اولیه خود است. روش معمول برای ایجاد QKD در حال حاضر شامل ارسال کیوبیت‌ها به روش یک جهته به گیرنده، از طریق کابل‌های فیبر نوری است. اما آن‌ها به طور قابل توجهی اثربخشی پروتکل را محدود می‌کنند. کیوبیت‌ها می‌توانند به راحتی در یک کابل فیبر نوری گم شوند یا پراکنده شوند، به این معنی که سیگنال‌های کوانتومی بسیار مستعد خطا هستند و برای طی مسافت‌های طولانی تلاش می‌کنند. آزمایش‌های کنونی در واقع به برد صد‌ها کیلومتر محدود شده‌اند.

راه حل دیگری وجود دارد و این راه حلی است که زیربنای اینترنت کوانتومی است: استفاده از ویژگی دیگری از کوانتوم، به نام درهم تنیدگی، برای برقراری ارتباط بین دو دستگاه. هنگامی که دو کیوبیت برهم کنش می‌کنند و در هم می‌پیچند، ویژگی‌های خاصی را به اشتراک می‌گذارند که به یکدیگر وابسته هستند.

در حالی که کیوبیت‌ها در یک حالت درهم تنیده هستند، هر تغییری به یک ذره در جفت منجر به تغییراتی در ذره دیگر می‌شود، حتی اگر از نظر فیزیکی از هم جدا شوند. بنابراین، وضعیت کیوبیت اول را میتوان با نگاه کردن به رفتار همتای درهم تنیده آن خواند. در زمینه ارتباطات کوانتومی، درهم تنیدگی می‌تواند در عمل، برخی از اطلاعات را از یک کیوبیت به نیمه دیگر درهم‌تنیده‌اش انتقال دهد، بدون این که نیازی به کانال فیزیکی باشد که این دو را در طول انتقال پل بزند.

محققان برای اتصال به اینترنت کوانتومی به یک قطعه سخت افزار کوانتومی قوی نیاز نخواهند داشت – در واقع، حتی یک پردازنده تک کیوبیتی نیز می‌تواند این کار را انجام دهد. اما با پیوند دادن دستگاه‌های کوانتومی که در حال حاضر دارای قابلیت‌های محدودی هستند، دانشمندان انتظار دارند که بتوانند ابررایانه‌ای کوانتومی بسازند تا از همه آن‌ها پیشی بگیرد. بنابراین، با اتصال بسیاری از دستگاه‌های کوانتومی کوچکتر به یکدیگر، اینترنت کوانتومی می‌تواند شروع به حل مشکلاتی کند که در حال حاضر دستیابی به آن‌ها در یک کامپیوتر کوانتومی منفرد غیرممکن است.

این شامل تسریع تبادل حجم وسیعی از داده‌ها و انجام آزمایش‌های سنجش در مقیاس بزرگ در نجوم، کشف مواد و علوم زیستی است. به همین دلیل، دانشمندان متقاعد شده‌اند که می‌توانیم از مزایای اینترنت کوانتومی بهره ببریم. زیرا یک کامپیوتر کوانتومی مشکلی را حل می‌کند که برای یک کامپیوتر کلاسیک غیرقابل حل است.
پیشرفته‌ترین رایانه‌های کوانتومی گوگل و آی‌بی‌ام در حال حاضر حدود ۵۰ کیوبیت دارند که به خودی خود بسیار کمتر از آن چیزی است که برای انجام محاسبات خارق‌العاده مورد نیاز برای حل مشکلاتی که تحقیقات کوانتومی امیدوار است به آن‌ها رسیدگی کند، نیاز است. از سوی دیگر، اتصال چنین دستگاه‌هایی به یکدیگر از طریق درهم تنیدگی کوانتومی می‌تواند منجر به خوشه‌هایی به ارزش چندین هزار کیوبیت شود. برای بسیاری از دانشمندان، ایجاد چنین قدرت محاسباتی در واقع هدف نهایی پروژه اینترنت کوانتومی است.

جمع‌بندی

برای آینده قابل پیش‌بینی، نمی‌توان از اینترنت کوانتومی برای تبادل داده به روشی که در حال حاضر روی لپ‌تاپ‌های خود انجام می‌دهیم استفاده کرد. تصور یک اینترنت کوانتومی عمومی و جریان اصلی مستلزم پیش‌بینی چند دهه (یا بیشتر) پیشرفت‌های تکنولوژیکی است. به همان اندازه که دانشمندان رویای آینده اینترنت کوانتومی را در سر می‌پرورانند، بنابراین، نمیتوان شباهت‌هایی بین این پروژه که در حال حاضر وجود دارد و روشی که ما هر روز در وب مرور می‌کنیم، ترسیم کرد.

امروزه بسیاری از تحقیقات ارتباطات کوانتومی به یافتن چگونگی بهترین رمزگذاری، فشرده سازی و انتقال اطلاعات به لطف حالت‌های کوانتومی اختصاص دارد. البته حالت‌های کوانتومی به خاطر چگالی خارق‌العاده‌شان شناخته می‌شوند و دانشمندان مطمئن هستند که یک گره می‌تواند مقدار زیادی داده را از راه دور انتقال دهد.

اما نوع اطلاعاتی که دانشمندان به دنبال ارسال از طریق اینترنت کوانتومی هستند، ارتباط چندانی با باز کردن صندوق ورودی و پیمایش ایمیل‌ها ندارد و در واقع، جایگزینی اینترنت کلاسیک چیزی نیست که این فناوری انجام دهد. در عوض، محققان امیدوارند که اینترنت کوانتومی در کنار اینترنت کلاسیک قرار گیرد و برای کاربرد‌های تخصصی¬تر مورد استفاده قرار گیرد. اینترنت کوانتومی کار‌هایی را انجام می‌دهد که می‌توان آن‌ها را در رایانه‌های کوانتومی سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک انجام داد، یا انجام آن‌ها حتی در بهترین ابررایانه‌های امروزی بسیار دشوار است.