اینترنت کوانتومی چیست؟ هرآنچه باید درباره آینده شبکه‌های کوانتومی بدانید

در نگاه اول، شاید اینترنت کوانتومی موضوعی علمی‌تخیلی به‌نظر برسد؛ اما ساخت شبکه‌های کوانتومی یکی از بلندپروازی‌های مهم بسیاری از کشورهای جهان است. اخیرا وزارت دفاع ایالات متحده (DoE) استراتژی گام‌به‌گام خود را برای تحقق رؤیای اینترنتی کوانتومی در چند سال آینده رونمایی کرد. ایالات متحده به‌همراه اتحادیه‌ی ‌اروپا و چین بر سر توسعه‌ی ارتباطات کوانتومی رقابت می‌کنند. حال این سؤال مطرح می‌شود: اینترنت کوانتومی دقیقا چیست؟ چگونه کار می‌کند؟ چه اهدافی خواهد داشت؟

اینترنت کوانتومی شبکه‌ای است که امکان مبادله‌ی اطلاعات بین دستگاه‌های کوانتومی را با استفاده از قوانین عجیب مکانیک کوانتومی فراهم می‌کند. ازنظر تئوری، اینترنت‌ کوانتومی به قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای دست خواهد یافت که امکان اجرای آن‌ها در وب کنونی ناممکن است. در دنیای کوانتومی، داده‌ها در وضعیت کیوبیتی رمزنگاری می‌شوند. وضعیت‌های کیوبیتی را می‌توان در دستگاه‌های کوانتومی مثل کامپیوتر یا پردازنده‌ کوانتومی ایجاد کرد. به‌بیان ساده، اینترنت کوانتومی ارسال کیوبیت‌ها در شبکه‌ای متشکل از چند دستگاه کوانتومی است که ازنظر فیزیکی، مستقل از یکدیگر هستند. تمام این ارتباطات به‌لطف خواص عجیب و منحصر‌به‌فرد وضعیت‌های کوانتومی محقق می‌شوند.

در نگاه اول، شاید اینترنت کوانتومی مانند اینترنت استاندارد به‌نظر برسد؛ اما ارسال کیوبیت‌ها در کانالی کوانتومی به‌جای کانالی کلاسیک به‌معنی بهبود رفتار بیت‌ها در مقیاس کوچک‌تر یا وضعیت‌های کوانتومی است. ناگفته نماند قوانین فیزیک کوانتومی که روش انتقال داده در اینترنت کوانتومی را تعریف می‌کنند، هنوز کاملا آشنا نیستند. درواقع، می‌توان گفت کاملا غریبه و حتی گاهی ماوراءالطبیعه به‌نظر می‌رسند. بنابراین، برای درک اکوسیستم کوانتومی اینترنت ۲/۰، بهتر است هرآنچه درباره‌ی محاسبات کلاسیک می‌دانید، فراموش کنید؛ زیرا اینترنت کوانتومی چندان نمی‌تواند مرورگرهای وب دلخواه شما را تداعی کند.

به‌طور خلاصه، نمی‌توان اطلاعات زیادی را با اینترنت کوانتومی مبادله کرد. برای مثال، حداقل برای چند دهه‌ی آینده نباید انتظار برگزاری جلسات Zoom کوانتومی را داشته باشید. کیوبیت‌ها در مرکز ارتباطات کوانتومی قرار دارند و از قوانین بنیادی مکانیک کوانتوم استفاده می‌کنند و رفتار آن‌ها با بیت‌های کلاسیک بسیار متفاوت است.

بیت کلاسیک برای رمزنگاری داده‌ها، تنها در یکی از دو حالت قرار می‌گیرد. درست مانند کلید لامپ می‌تواند خاموش یا روشن و زنده یا مرده و صفر یا یک باشد؛ اما کیوبیت‌ها رفتار متفاوتی دارند. درصورت برقرای شرایط ویژه، کیوبیت‌ها می‌توانند هم‌زمان در دو حالت صفر و یک قرار بگیرند. چنین وضعیتی در دنیای کلاسیک وجود ندارد.

برای اندازه‌گیری عملکرد کیوبیت، باید یک حالت را به آن نسبت داد و اینجا است که تناقض به‌وجود می‌آید. اندازه‌گیری کیوبیت باعث می‌شود از وضعیت دوگانه خارج شود و درست مانند بیت کلاسیک در حالت صفر یا یک قرار بگیرد. به این پدیده برهم‌نهی گفته می‌شود که یکی از هسته‌های اصلی مکانیک کوانتوم است. گفتنی است نمی‌توان از کیوبیت‌ها برای انتقال داده‌های آشنایی مثل ایمیل یا پیام‌های واتساپ استفاده کرد؛ اما رفتار عجیب کیوبیت‌ها فرصت‌های مغتنمی در زمینه‌های دیگر فراهم خواهد کرد.

یکی از شاخه‌های عجیب مرتبط با کیوبیت‌ها امنیت است. در ارتباطات کلاسیک، اغلب داده‌ها ازطریق توزیع کلیدی مشترک برای گیرنده و فرستنده و سپس استفاده از کلید مشترک برای رمزنگاری پیام ایمن می‌شوند. سپس، گیرنده می‌تواند از کلید برای رمزگشایی داده‌ها استفاده کند. امنیت اغلب ارتباطات کلاسیک کنونی برپایه‌ی الگوریتم تولید کلید است. دسترسی به این کلید برای هکرها دشوار است؛ اما ناممکن نیست؛ به‌همین‌دلیل، پژوهشگران به‌دنبال کوانتومی‌سازی ارتباطات هستند. این مفهوم در مرکز زمینه‌ی نوظهور امنیت سایبری به‌نام توزیع کلید کوانتومی (QKD) قرار دارد.

در روش QKD، دو طرف بخشی از داده‌های کلاسیک را با کلید کریپتوگرافی به کیوبیت‌ها رمزنگاری می‌کنند. فرستنده کیوبیت‌ها را برای شخص دیگری ارسال و گیرنده هم برای دستیابی به مقادیر کلید کیوبیت‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. اندازه‌گیری باعث فروپاشی وضعیت کیوبیت می‌شود؛ اما خواندن مقدار در فرایند اندازه‌گیری اهمیت زیادی دارد؛ درنتیجه کیوبیت برای انتقال مقدار کلید به کاربرده می‌شود.

از همه مهم‌تر با QKD به‌راحتی می‌توان استراق‌سمع شخص ثالث را در طول انتقال کشف کرد؛ زیرا متجاوز فقط با نگاه‌کردن به کیوبیت‌ها می‌تواند باعث فروپاشی آن‌ها شود. اگر هکر از هر نقطه‌ای به کیوبیت‌ها نگاه کند، وضعیت کیوبیت‌ها به‌صورت خودکار تغییر می‌کند. بد‌ین‌ترتیب، ردپایی از استراق‌سمع جاسوس به‌جا می‌ماند؛ به‌همین‌دلیل، رمزنگارها معمولا QKD را روشی کاملا ایمن می‌دانند.

فناوری QKD هنوز در آغاز راه است. درحال‌حاضر، روش متداول ساخت QKD ارسال کیوبیت‌‌ها برای گیرنده ازطریق کابل‌های فیبر نوری در مسیری یک‌طرفه را شامل می‌شود؛ اما این کابل‌ها کارایی پروتکل را به‌طور چشمگیری محدود می‌کنند. کیوبیت‌ها در کابل‌های فیبر نوری، گم یا پراکنده می‌شوند؛ درنتیجه، به‌شدت در معرض خطا قرار می‌گیرند و برای طی مسافت‌های طولانی دچار مشکل می‌شوند. آزمایش‌های فعلی به مجموعه‌ای از صدها کیلومتر فیبر نوری محدود هستند. برای حل این مشکل باید خاصیت کوانتومی دیگر به‌نام درهم‌تنیدگی بین دو دستگاه را بهبود داد.

وقتی دو کیوبیت با یکدیگر تعامل می‌کنند و درهم‌تنیده می‌شوند، خواص مشترکی پیدا می‌کنند که معمولا این خواص به یکدیگر وابسته هستند. وقتی کیوبیت‌ها در وضعیت درهم‌تنیده قرار دارند، هر تغییر در یکی از زوج ذرات به تغییر در ذره‌ی دیگر منجر می‌شود؛ حتی اگر دو ذره ازنظر فیزیکی جدا از یکدیگر باشند. وضعیت کیوبیت اول را می‌توان با بررسی رفتار همتای درهم‌تنیده‌ی آن قرائت کرد. آلبرت اینشتین به این حالت رفتار شبح‌وار می‌گوید. درزمینه‌ی ارتباطات کوانتومی، از درهم‌تنیدگی می‌توان برای ارسال اطلاعات از کیوبیتی به جفت درهم‌تنیده‌ی آن استفاده کرد و دیگر به برقراری کانال فیزیکی بین مبدأ و مقصد نیازی نیست.

طبق تعریف، تله‌پورت به‌معنی نبود اتصال شبکه‌ی فیزیکی بین دستگاه‌های ارتباطی است؛ اما برای تله‌پورت در درجه‌ی اول به ایجاد و حفظ درهم‌تنیدگی نیاز است. برای حمل QKD ازطریق درهم‌تنیدگی، ایجاد زیرساختی مناسب برای حمل زوج کیوبیت‌های درهم‌تنیده و سپس توزیع آن‌ها بین فرستنده و گیرنده ضروری است. بدین‌ترتیب، کانال تله‌پورتی برای مبادله‌ی کلیدهای رمزنگاری ایجاد می‌شود. پس از ساخت کیوبیت‌های درهم‌تنیده، باید نیمی از زوج کیوبیت را به گیرنده‌ی کلید ارسال کنید. برای مثال، کیوبیت درهم‌تنیده می‌تواند شبکه‌های فیبر نوری را طی کند؛ اما این شبکه‌ها نمی‌توانند درهم‌تنیدگی را به‌اندازه‌‌ی ۹۶ کیلومتر حفظ کنند.

درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها را می‌توان در مسافت‌های دوردست ازطریق ماهواره حفظ کرد؛ اما پوشش دستگاه‌های کوانتومی خارج از زمین پرهزینه است. هنوز برای ساخت شبکه‌های تله‌پورت که بتوانند به شیوه‌ای مؤثر کیوبیت‌های سراسر جهان را به یکدیگر وصل کنند، مشکلات متعددی پیش رو است. بااین‌حال با وجود شبکه‌ی درهم‌تنیده، تمام این مشکلات حل خواهند شد؛ زیرا کیوبیت‌های درهم‌تنیده برای انتقال پیام به زیرساخت‌های فیزیکی نیازی نخواهند داشت.

در طول انتقال، کلید کوانتومی برای اشخاص ثالث نامرئی خواهند ماند و استراق‌سمع از آن ناممکن می‌شود؛ درنتیجه، ارتباطی ایمن از مبدأ به مقصد شکل می‌گیرد. چنین زیرساختی برای صنایع حساس مثل بانکداری یا خدمات درمانی یا ارتباطات هوایی مناسب است. همچنین، دولت‌ها که از اطلاعات محرمانه استفاده می‌کنند، از اولین تطبیق‌دهندگان این فناوری خواهند بود.

 شاید بپرسید وقتی پژوهشگران می‌توانند راه‌های ساده‌تری برای بهبود شکل عادی QKD پیدا کنند، چه نیازی به درهم‌تنیدگی است. برای مثال، تکرارکنندگان کوانتومی می‌توانند مسافت‌های زیادی را پوشش دهند و هم به درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها نیازی ندارند. باوجوداین، درهم‌تنیدگی قابلیت‌های زیادی دارد. QKD تنها یکی از مثال‌های متداول و یکی از اهداف اینترنت کوانتومی است. از شبکه‌های درهم‌تنیده‌ می‌توان به‌عنوان راهی امن برای ساخت خوشه‌های کوانتومی متشکل از کیوبیت‌های درهم‌تنیده استفاده کرد.

پژوهشگران برای اتصال به اینترنت کوانتومی به سخت‌افزار کوانتومی ویژه‌ای نیازی ندارند. درواقع، تنها یک پردازنده‌ی تک‌کیوبیتی هم می‌تواند اتصال را برقرار کند؛ اما ازآنجاکه کامپیوترهای کوانتومی قابلیت‌های محدودی دارند، دانشمندان به‌دنبال راهی برای ساخت ابرکامپیوترهای کوانتومی هستند.

با اتصال تعداد زیادی از دستگاه‌های کوانتومی کوچک‌تر به یکدیگر، اینترنت کوانتومی می‌تواند مسائلی را حل کند که حلشان تنها با یک کامپیوتر کوانتومی ناممکن است. این روند سرعت تبادل داده‌های انبوه و اجرای آزمایش‌های عظیم ستاره‌شناسی و اکتشافات ماده و علوم زیستی را افزایش خواهد داد. به‌همین‌دلیل، قبل از آنکه غول‌های فناوری مثل گوگل و IBM به برتری کوانتومی برسند، دانشمندان به‌دنبال پی‌بردن به مزایای بیشتری از این فناوری هستند. طبق تعریف برتری کوانتومی، کامپیوتر کوانتومی می‌تواند مسائلی را حل کند که حل آن‌ها برای کامپیوترهای کلاسیک ناممکن یا دشوار است.

درحال‌حاضر، پیشرفته‌ترین کامپیوترهای کوانتومی گوگل و IBM با ۵۰ کیوبیت فعالیت می‌کنند. این میزان برای اجرای محاسبات و حل مسائل پژوهشی ناکافی است. افزون‌براین، اتصال چنین دستگاه‌هایی ازطریق درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند به خوشه‌هایی با هزاران کیوبیت منجر شود. برای بسیاری از دانشمندان، ساخت چنین کامپیوتر‌هایی هدف نهایی پروژه‌ی اینترنت کوانتومی است.

شاید نتوان در آینده‌ای نزدیک از اینترنت کوانتومی برای مبادله‌ی داده‌ها به‌شیوه‌ی 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 می‌پرورانند، فعلا نمی‌توان آن را در مقیاس انبوه توسعه داد.

بسیاری از پژوهش‌های کنونی ارتباطات کوانتومی به جست‌وجوی بهترین روش‌های رمزنگاری و فشرده‌سازی و انتقال اطلاعات ازطریق وضعیت‌های کوانتومی اختصاص یافته‌اند. حالت‌ها یا وضعیت‌های کوانتومی هم خاصیت‌های خارق‌العاده‌ای دارند و دانشمندان اطمینان دارند از یک گره می‌توان برای تله‌پورت حجم زیادی از داده‌ها استفاده کرد.

چه نوع اطلاعاتی را می‌توان با اینترنت کوانتومی ارسال کرد که شباهت زیادی به ایمیل یا اطلاعات مشابه ندارد؟ درواقع، هدف اصلی اینترنت کوانتومی جایگزین‌کردن اینترنت کلاسیک نیست؛ بلکه پژوهشگران امیدوار هستند اینترنت کوانتومی درکنار اینترنت کلاسیک برای اهداف ویژه استفاده شود؛ زیرا اینترنت کوانتومی می‌تواند وظایف را بسیار سریع‌تر از اینترنت کلاسیک انجام دهد؛ وظایفی که اجرای آن‌ها حتی برای بهترین ابرکامپیوترهای کنونی هم دشوار است.

در وضعیت فعلی، دانشمندان روش درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌ها را می‌دانند و با موفقیت درهم‌‌تنیدگی را برای QKD بهبود داده‌اند. چین یکی از سرمایه‌گذاران بلندمدت شبکه‌های کوانتومی است که رکورد درهم‌تنیدگی ماهواره‌ای را شکسته است. اخیرا، دانشمندان چینی موفق شده‌اند درهم‌تنیدگی ایجاد کنند و به QKD در مسافت بی‌سابقه‌ی ۱۲۰۰ کیلومتری دست یابند.

مرحله‌ی بعدی افزایش مقیاس زیرساخت‌ها است. تمام آزمایش‌هایی که تاکنون انجام شده‌اند، تنها به دو نقطه‌ی انتهایی اختصاص یافته‌اند. دانشمندان پس از رسیدن به هدف ارتباطات نقطه‌به‌نقطه، مشغول کار روی شبکه‌‌ای با چند فرستنده و چند گیرنده هستند که بتوانند ازطریق اینترنت کوانتومی در مقیاس جهانی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

هدف اصلی دانشمندان یافتن روش‌های برتر برای تولید تعداد زیادی از کیوبیت‌های درهم‌تنیده در مسافت‌های دوردست و برقراری ارتباط هم‌زمان بین نقاط مختلف است. البته اجرای این ایده در عمل بسیار دشوارتر است. برای مثال، به‌منظور حفظ درهم‌تنیدگی بین دستگاهی در چین و دستگاهی در ایالات متحده به گره‌ای واسطه و پروتکل‌های مسیریابی جدید نیاز است.

در ایالات متحده، درهم‌تنیدگی ذرات ازطریق فیبر نوری در «حلقه‌ی کوانتومی» ۸۴ کیلومتری اطراف شیکاگو حفظ می‌شود. برای این مسافت به تکرارکننده‌ی کوانتومی نیازی نیست و به‌زودی، این شبکه به یکی از آزمایشگاه‌های DoE وصل خواهد شد. درمقابل دیگر در اروپا، اتحادیه‌ی اینترنت کوانتومی در سال ۲۰۱۸ برای توسعه‌ی استراتژی اینترنت کوانتومی تشکیل شد و سال گذشته، به درهم‌تنیدگی برای مسافت ۵۰ کیلومتری دست یافت.

در درجه‌ی اول، هدف اصلی و نهایی پژوهشگران کوانتومی توسعه‌ی مقیاس شبکه‌ها در مقیاس ملی است و روزی این مقیاس بین‌المللی خواهد شد. تعداد زیادی از دانشمندان معتقدند این اتفاق بسیار زودتر از چند دهه رخ خواهد داد. بدون شک، اینترنت کوانتومی پروژه‌ای بلندمدت با موانع فنی بسیار است؛ اما خروجی‌های غیرمنتظره‌ای هم از این پروژه به‌دست خواهند آمد که این سفر علمی را ارزشمند خواهند کرد. این پروژه با برنامه‌های بی‌شمار کوانتومی همراه خواهد شد که درحال‌حاضر، شاید نتوان آن‌ها را دقیق پیش‌بینی کرد.