اینترنت کوانتومی در راه است

اینترنت کنونی به زمین بازی هکرها تبدیل شده است. از اتصال‌‌های ناامن ارتباطی تا داده‌هایی که به‌خوبی در کلود حفاظت نمی‌شوند، آسیب‌ها همه‌جا هستند؛ اما فیزیک‌دان‌های کوانتومی می‌توانند این آسیب‌ها را به حداقل برسانند.

هدف دانشمندان، توسعه‌ی شبکه‌های کاملا کوانتومی است که اطلاعات آن‌ها براساس ویژگی‌های عجیب دنیای کوانتومی، تولید، ذخیره یا جابه‌جا می‌شوند. برای مثال گربه‌هایی را در نظر بگیرید که در هر دو حالت زنده و مرده یا ذراتی که قادر به کارهای شبح‌وار از فاصله‌ی دور هستند، فعالیت می‌کنند. این سیستم‌ها که با مشکلات شبکه‌های کلاسیک روبه‌رو نیستند، می‌توانند سطحی از حریم خصوصی، امنیتی و توان محاسباتی را فراهم کنند که دستیابی به آن‌ها با اینترنت کنونی غیرممکن است.

اگرچه پیاده‌سازی کامل شبکه‌های کوانتومی هنوز چشم‌اندازی دور از دسترس است، اما پیشرفت‌ها و تحولات اخیر در انتقال، ذخیره‌سازی و دست‌کاری اطلاعات کوانتومی برخی فیزیک‌دان‌ها برای رسیدن به یک اثبات ساده‌ی مفهومی متقاعد کرده است.

از ترک‌های داخل الماس و کریستال که به تغییر رنگ فوتون‌ها کمک می‌کنند تا پهپادهایی که نقش گره‌های شبح شبکه را ایفا می‌کنند، پژوهشگرها با مجموعه‌ای از روش‌ها و مصالح به جستجوی کوانتومی خود ادامه می‌دهند. اولین مرحله برای رسیدن به این هدف، ساخت شبکه‌ای کوانتومی است که از فیبر نوری استاندارد برای اتصال حداقل سه دستگاه کوانتومی در فواصل ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتری استفاده می‌کند.

به عقیده‌ی بن لانیون از مؤسسه‌ی اپتیک کوانتوم و اطلاعات کوانتومی اینسبروک اتریش، امکان ساخت چنین شبکه‌ای در پنج سال آینده وجود دارد. تیم لانیون بخشی از اتحادیه‌ اینترنت کوانتومی اروپا است که رهبری آن برعهده‌ی استفانی وهنر از دانشگاه فناوری دلفت هلند است و هدف آن ساخت یک شبکه‌ی کوانتومی است.

به‌گفته‌ی رونالد هنسون از دانشگاه دلفت، ویژگی اصلی شبکه‌ی کوانتومی ارسال اطلاعات کوانتومی به‌جای اطلاعات کلاسیک است. اطلاعات کلاسیک به‌صورت بیتی با مقادیر صفر و یک منتقل می‌شود؛ اما اطلاعات کوانتومی به شکل بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت منتقل می‌شود که می‌تواند به شکل برهم‌نهی هم‌زمان صفر و یک باشد. برای مثال می‌توان کیوبیت‌ها را براساس وضعیت‌های دوقطبی فوتون یا وضعیت اسپین الکترون و هسته‌ی اتمی رمزنگاری کرد. در مکانیک کوانتوم، اسپین شکلی بنیادی از تکانه‌ی زاویه‌ای ذرات بنیادی ازجمله الکترون است.

شبکه‌سازی کوانتومی

در آنچه هنسون «مسئله‌ی ساده‌ی شبکه‌های کوانتومی» می‌خواند، می‌توان از کیوبیت‌ها برای ساخت کلیدهای مخفی (رشته‌های تصادفی صفر و یک) استفاده کرد. از کلید‌های مخفی هم می‌توان در روشی به نام توزیع کلیک کوانتومی (QKD) برای رمزنگاری اطلاعات کلاسیک استفاده کرد.

برای مثال یکی از طرفین QKD آلیس، کیوبیت‌ها را برای طرف دیگر به نام باب ارسال می‌کند و باب وظیفه‌ی ارزیابی کیوبیت را برعهده دارد (آلیس و باب برای اولین‌بار در مقاله‌‌ای با موضوع رمزنگاری کلید عمومی در سال  ۱۹۸۷ ظاهر شدند و حالا به نگه‌دارنده‌های گره در شبکه‌ی کوانتومی تبدیل شده‌اند).

فقط برای انواع مشخصی از ارزیابی‌ها، مقدار دریافتی باب با مقدار رمزنگاری‌شده توسط آلیس برابر است. آلیس و باب می‌توانند اطلاعات را روی یک کانال عمومی مقایسه کنند و بدون اشتراک‌گذاری مقادیر کیوبیت به محاسبه‌ی ارزیابی‌ها بپردازند. سپس می‌توانند از مقادیر خصوصی برای ساخت یک کلید مخفی مشترک و رمزنگاری پیغام‌های کلاسیک استفاده کنند.

درصورتی‌که یک متجاوز به‌دنبال استراق سمع از کیوبیت‌ها باشد، آلیس و باب نفوذ را تشخیص می‌دهند، کیوبیت‌ها را حذف می‌کنند و تبادل پیام را از ابتدا شروع می‌کنند. از دیدگاه تئوری تا زمانی‌که کسی روی کانال کوانتومی به استراق سمع نپرداخته است، به کار خود ادامه می‌دهند.

در ژوئیه‌‌ی سال گذشته، آلبرتو بایرون و همکاران او از دانشگاه ژنو سوئیس، با استفاده از QKD موفق به توزیع کلیدهای مخفی با سرعت ۶.۵ کیلوبیت بر ثانیه، روی رکوردی در مسافت بیش از ۴۰۰ کیلومتر فیبر نوری شدند. در مقابل، سیستم‌های تجاری ازجمله سیستم ID Quantique(شرکتی در ژنو) از QKD روی ۵۰ کیلومتر فیبر نوری استفاده می‌کنند.

آلیس و باب شبح می‌شوند

در شرایط ایده‌آل، شبکه‌های کوانتومی فراتر از QKD عمل می‌کنند. گام بعدی، انتقال مستقیم وضعیت‌های کوانتومی بین گره‌ها است. کیوبیت‌های رمزنگاری‌شده براساس فوتون دوقطبی را می‌توان روی فیبرهای نوری ارسال کرد (مانند روش QKD)، اما استفاده از چنین کیوبیت‌هایی برای انتقال حجم زیادی از اطلاعات کوانتومی مشکل‌ساز است زیرا احتمال پراکنده شدن یا جذب فوتون‌ها در طول مسیر یا خطای ثبت در آشکارساز وجود دارد و به‌این‌ترتیب کانال انتقال غیرایمن خواهد شد.

خوشبختانه می‌توان ازطریق یکی از دیگر خصوصیات سیستم کوانتومی به نام وابستگی کوانتومی (quantum entanglement) به روش پایدارتری برای تبادل اطلاعات کوانتومی رسید. وقتی دو ذره یا سیستم کوانتومی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، احتمال وابسته شدن آن‌ها وجود دارد.

پس از وابسته شدن هر دو سیستم براساس یک وضعیت کوانتومی واحد توصیف می‌شوند، بنابراین ارزیابی وضعیت یک سیستم بلافاصله بر وضعیت سیستم دیگر تأثیر می‌گذارد، ولو دو سیستم کیلومترها از یکدیگر فاصله داشته باشند. اینشتین وابستگی را «عملیات شبح‌وار بافاصله» توصیف می‌کند. این تعریف منبع ارزشمندی برای شبکه‌های کوانتومی است.

آلیس با گره‌های وابسته می‌تواند از سهم وابستگی خود برای ارسال یک کیوبیت کامل به باب استفاده کند، در این فرایند بدون نیاز به ارسال کیوبیت فیزیکی، انتقال به‌صورت امن و ضدفریب انجام می‌شود. در این مبادله، پس از ایجاد وابستگی بین گره‌ها، پروتکل انتقال کیوبیت از آلیس به باب پایدار و قطعی است.

اما برای انتقال در مسیرهای طولانی یکی از طرفین باید به توزیع وابستگی بپردازد (معمولا ازطریق شبکه‌های استاندارد فیبر نوری این کار را انجام می‌دهند). در ماه ژانویه، تیم لانیون در اینسبروک موفق به تنظیم رکورد برای ایجاد وابستگی بین ماده و نور روی ۵۰ کیلومتر فیبر نوری شدند.

لیون از یون محصور به‌عنوان ماده استفاده کرد (تک یون کلسیوم محدود به یک کاواک اپتیکی که از میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کند). یون پس‌ازآنکه با لیزر تغییر داده شد، یک کیوبیت را به‌صورت برهم‌نهی دو وضعیت انرژی رمزنگاری می‌کند و با رمزنگاری یک کیوبیت براساس وضعیت‌های دوقطبی یک فوتون منتشر می‌کند. کیوبیت‌های موجود در یون و فوتون به یکدیگر وابسته هستند. هدف این فرایند ارسال فوتون ازطریق فیبرنوری و حفظ وابستگی آن است.

متأسفانه یون محصور، فوتون با طول‌موج ۸۵۴ نانومتر (nm) را منتشر می‌کند، درنتیجه فوتون داخل فیبر نوری دوام نمی‌آورد. تیم لانیون برای حل این مشکل، فوتون منتشرشده را به داخل یک کریستال غیرخطی ارسال کردند که با لیزر قدرتمند پر شده است. با این کار فوتون به موج مخابراتی سازگار با فیبرهای نوری تبدیل می‌شود. در مرحله‌ی بعدی، آن‌ها فوتون را به فیبر نوری ۵۰ کیلومتری تزریق کردند. پس‌ازآنکه فوتون به آن سوی فیبر رسید، تست یون و فوتون را برای بررسی وابستگی آن‌ها آغاز کردند.

جابه‌جایی وابستگی‌ها

تیم لانیون می‌خواهد دو یون محصور را به یکدیگر وابسته کند که ۱۰۰ کیلومتر با یکدیگر فاصله دارند. هر گره، یک فوتون وابسته را ازطریق ۵۰ کیلومتر فیبر نوری به ایستگاهی در میانه‌ی راه ارسال می‌کند. در این ایستگاه، فوتون‌ها به‌گونه‌ای ارزیابی می‌شوند که وابستگی به یون‌های مرتبط خود را از دست می‌دهند و به یکدیگر وابسته می‌شوند.

درنتیجه، دو گره در فاصله‌ی ۱۰۰ کیلومتری هرکدام ازطریق یک زوج کیوبیت وابسته، یک اتصال کوانتومی را تشکیل می‌دهند. به این فرایند جابه‌جایی وابستگی گفته می‌شود. اگرچه این فرایند فعلا تا اندازه‌ای غیربهینه است اما لانیون این تنظیمات را شروع خوبی برای توسعه‌ی بهتر و سریع‌تر سیستم‌های جابه‌جایی می‌داند.

درعین‌حال، تیم هانسون در دلفت نشان می‌دهد که چگونه می‌توان یک نوع متفاوت گره را به فوتون طول‌موج مخابراتی وابسته کرد. آن‌ها از ترک الماس به‌عنوان مرکز تهی نیتروژنی (NV) استفاده می‌کنند. این ترک زمانی به وجود می‌آید که یک اتم نیتروژن با یک اتم کربن در ساختار کریستالی الماس جایگزین شود و به این صورت فضایی خالی در شبکه‌ی کریستالی مجاور اتم نیتروژنی ایجاد می‌شود.

پژوهشگرها از لیزر برای تغییر اسپین الکترون آزاد در مرکز NV الماس استفاده کردند تا الکترون را در وضعیت برهم‌نهی اسپین قرار دهند و به این صورت به رمزنگاری یک کیوبیت بپردازند. این فرایند منجر به نشر فوتون هم می‌شود. این فوتون در برهم‌نهی منتشرشده در یکی از دو شیار زمانی متوالی قرار دارد. به‌گفته‌ی هنسون، فوتون همیشه همان‌جا است اما در برهم‌نهی وضعیت اول یا آخر قرار دارد.

کیوبیتی که در اسپین الکترون ذخیره شده است و کیوبیتی که در حضور یا غیاب فوتون در شیارهای زمانی منتشر می‌شود، در این مرحله به یکدیگر وابسته می‌شوند. در سال ۲۰۱۵، تیم دلفت دو گره‌ی مجزای فضایی که از مراکز الماس NV ساخته شده بودند را در فاصله‌ی ۱.۳ کیلومتری از یکدیگر قرار دادند؛ دو گره با فیبر نوری به یکدیگر وصل شده‌ بودند.

آن‌ها در مرحله‌ی بعدی یک فوتون وابسته از هر گره را به نقطه‌ای در میانه‌ی مسیر فرستادند. در این نقطه با جابه‌جایی وابستگی، دو مرکز NV به یکدیگر وابسته شدند؛ اما مانند آزمایش لانیون، طول‌موج فوتون‌های منتشر‌شده به ۶۳۷ نانومتر می‌رسید. درنتیجه این فوتون‌ها پس از ورود به فیبرهای نوری به مسافران افتضاحی تبدیل می‌شوند که به ازای هر کیلومتر، از شدت آن‌ها کاسته می‌شود و پس از طی چند کیلومتر دیگر نمی‌توانند به مسیر خود ادامه دهند.

بنابراین تیم دلفت در ماه مه، طرحی جبرانی مشابه طرح اینسبروک ارائه داد. آن‌ها از کریستال‌های غیرخطی و لیزر برای تبدیل فوتون به طول‌موج‌های مخابراتی استفاده کردند. در این روش، کیوبیت‌ها توسط مرکز NV رمزنگاری می‌شوند؛ وابستگی فوتون طول‌موج مخابراتی حفظ می‌شود و به‌این‌ترتیب زمینه برای جابه‌جایی وابستگی بین گره‌های مرکز NV الماس آماده می‌شود.

اگرچه آن‌ها هنوز موفق به ارسال فوتون وابسته‌ی الماس طول‌موج مخابراتی روی فیبر‌های نوری طولانی نشده‌اند اما هانسون از رسیدن به این هدف اطمینان دارد و هدف بعدی او وابسته‌سازی مراکز NV الماس در فاصله‌ی ۳۰ کیلومتری ازطریق جابه‌جایی وابستگی است. او می‌گوید:

ما در حال ساخت این گره‌ها هستیم. از فیبر شیشه‌ای برای وابستگی دو مرکز NV استفاده می‌کنیم.

هدف بعدی آن‌ها وابسته‌سازی گره‌ها با استفاده از زیرساخت‌های فیبری موجود بین سه شهر هلند است. مسافت این شهرها برای این آزمایش مناسب است.

ترکیب و تطبیق: چالش‌های پیش‌ رو

تیم‌های دلفت و اینسبروک هرکدام تنها از یک نوع ماده برای ذخیره‌سازی و وابسته‌سازی کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند؛ اما ممکن است در شبکه‌های کوانتومی واقعی بسته به نوع عملیات (رایانش کوانتومی یا ادراک کوانتومی) از انواع مختلف ماده برای هر گره استفاده شود؛ و گره‌های کوانتومی علاوه‌بر دست‌کاری کیوبیت‌ها می‌توانند آن‌ها را برای مدت کوتاهی در حافظه‌های کوانتومی ذخیره کنند. مارچل لی گریمارو پویگبرت از دانشگاه بازل سوئیس می‌گوید:

پلتفرم و پروتکل مناسب هنوز کاملا مشخص نیستند. همیشه بهتر است چند سیستم هیبریدی مختلف به یکدیگر وصل شوند.

پویگبرت با همکاری تیم ولفگانگ تیتل در دانشگاه کالگری، به روشی برای وابستگی کیوبیت‌های ذخیره‌شده در مواد مختلف رسیده‌اند. آن‌ها برای شروع از منبعی استفاده کردند که زوج فوتون‌های وابسته را منتشر می‌کند. طول‌موج یکی از فوتون‌ها ۷۹۴ و دیگر ۱۵۳۵ نانومتر است. فوتون ۷۹۴ نانومتری با کریستال لیتیوم نیوبات اشباع‌شده با تولیوم واکنش می‌دهد بنابراین حالت فوتون در کریستال ذخیره می‌شود. فوتون ۱۵۳۵ نانومتری هم وارد فیبر اشباع‌شده با اربیوم می‌شود و وضعیت کوانتومی را ذخیره می‌کند.

هر دو حافظه برای نشر مجدد فوتون‌ها در زمانی مشخص طراحی شده‌اند. پژوهشگرها پس از بررسی فوتون‌هایی که مجددا منتشر شدند، متوجه شدند فوتون‌ها وابستگی خود را حفظ کرده‌اند. درنتیجه، حافظه‌های کوانتومی درست قبل از نشر فوتون‌ها وابسته‌ شده‌اند و بنابراین وابستگی به‌مرورزمان حفظ می‌شود.

اما ماهواره‌ها هنوز هم گزینه‌ی پرهزینه‌ای برای شبکه‌های کوانتومی هستند. بهترین انتخاب بعدی می‌تواند پهپادهای نسبتا کم‌هزینه باشد. در ماه مه، شی نینگ ژو از دانشگاه نانجینگ و همکاران او گزارش دادند که از یک پهپاد ۳۵ کیلوگرمی برای ارسال فوتون‌های وابسته به دو گره‌ی کوانتومی در فاصله‌ی ۲۰۰ متری روی زمین استفاده کرده‌اند. در این آزمایش برای تأیید دریافت فوتون‌‌های وابسته از اتصال ارتباطی کلاسیک بین گره‌ها استفاده شد.

این آزمایش در شرایط به‌شدت متغیر مثل نور خورشید و تاریکی و حتی در شب‌های بارانی با موفقیت پیش رفت. درصورتی‌که بتواند مقیاس چنین پهپادهایی را توسعه داد و به نصب آن‌ها در UAV-های پرارتفاع پرداخت، فاصله‌ی بین گره‌های روی زمین را می‌توان تا ۳۰۰ کیلومتر هم توسعه داد.

هنوز بر سر پیاده‌سازی کامل شبکه‌ی عملیاتی کوانتومی موانعی وجود دارد. یکی از آن‌ها حافظه‌های کوانتومی امن است. یکی از مهم‌ترین بخش‌های پیاده‌سازی، توانایی توسعه‌ی دسترسی اتصال کوانتومی به مناطق دوردست با استفاده از تکرارکننده‌های کوانتومی است. وضعیت کوانتومی مانند اطلاعات کلاسیک قابل کپی یا قابل بازگشت نیست.

گره‌های کوانتومی در مواجهه با اتلاف حاصل از ارتباط با محیط، برای حفظ وابستگی به گیت‌های پیچیده‌ی منطقی نیاز دارند و به‌گفته‌ی لانیون این مسئله یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش رو است. بااین‌حال عناصر اولیه‌ی قرار گرفتن برای ساخت یک شبکه‌ی کوانتومی که حداقل سه شهر را به هم وصل کند فراهم است و شاید روزی این ارتباط به‌کل دنیا برسد. به‌گفته‌ی هنسون:

ما امروزه پلتفرم‌هایی داریم که می‌توانیم در آن‌ها برای اولین‌بار به بررسی شبکه‌های واقعی کوانتومی بپردازیم. هیچ تضمینی وجود ندارد؛ اما باوجود گروه خوبی که داریم، می‌توانیم موفقیت خود را تضمین کنیم.