اینترنت کوانتومی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

درحالیکه در بسیاری از نقاط جهان از جمله کشور خودمان درگیر نسل‌های قدیمی اینترنت هستیم، محققان کشورهای پیشرو بر روی نوع‌های خاص اینترنت مانند کوانتومی کار می‌کنند.

اینترنت کوانتومی شبکه‌ای از کامپیوترهای کوانتومی است که در آینده نه چندان دور اطلاعات کدگذاری شده در حالت های کوانتومی را ارسال، محاسبه و دریافت خواهند کرد.

دنیایی را تصور کنید که در آن اطلاعات محدود به محدودیت‌های محاسباتی کلاسیک نیست. در چنین دنیایی داده‌ها می‌توانند با سرعت‌های غیرقابل تصوری منتقل و پردازش شوند، و ارتباطات ایمن توسط قوانین مکانیک کوانتومی تضمین شده خواهد بود.

 به آینده اینترنت یعنی اینترنت کوانتومی خوش آمدید. در این مقاله، مفهوم شگفت‌انگیز اینترنت کوانتومی، کاربردهای بالقوه آن و گام‌هایی که در جهت تحقق آن برداشته شده است را بررسی خواهیم کرد.

اینترنت کوانتومی چیست؟

اینترنت کوانتومی (quantum internet) یک شبکه تئوری‌شده و بسیار مورد توجه از رایانه‌های کوانتومی به هم پیوسته است که روزی به مردم اجازه خواهد داد که با استفاده از فناوری کوانتومی اطلاعات را ارسال، محاسبه و دریافت کنند.

یکی از انواع اینترنت و شامل یک شبکه انقلابی است که از اصول مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند تا ارتباطات و محاسبات ایمن و کارآمد را فراهم کند.

در حقیقت هدف اینترنت کوانتومی جایگزین کردن اینترنت امروزی نیست، بلکه ایجاد یک شبکه هم‌زمان است که می‌تواند برای حل انواع خاصی از مشکلات و به خصوص محاسبات علمی استفاده شود.

دانشمندان بر این باورند که به ویژه برای مشکلاتی که متغیرهای زیادی را شامل می‌شوند، مانند تجزیه و تحلیل ریسک مالی، رمزگذاری داده‌ها و  همچنین مطالعه خواص مواد، اینترنت کوانتومی بسیار مفید خواهد بود.

محققان تردید دارند که افراد در آینده نزدیک صاحب کامپیوترهای کوانتومی شخصی شوند. در عوض، کامپیوترهای کوانتومی در مؤسسات دانشگاهی و شرکت‌های خصوصی قرار می‌گیرند که می‌توان از طریق سرویس‌های ابری به آنها دسترسی داشت.

اینترنت کوانتومی چگونه کار می کند؟

کامپیوترهای کوانتومی از واحدهای اساسی اطلاعات، مشابه بیت‌های مورد استفاده در محاسبات کلاسیک استفاده می‌کنند. این واحد‌ها در کوانتوم “qubits” یا “کیوبیت” نامیده می‌شوند.

در قلب اینترنت کوانتومی، اصول بنیادی درهم تنیدگی و برهم نهی کوانتومی وجود دارد. درهم تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای است که در آن دو یا چند کیوبیت به گونه‌ای همبسته می شوند که بدون توجه به فاصله بین آنها، حالت یک کیوبیت فوراً به حالت سایر کیوبیت‌ها مرتبط می شود.

 این ویژگی، امکان انتقال اطلاعات را به صورت آنی فراهم می کند، مفهومی که آلبرت انیشتین از آن به عنوان “اقدام شبح وار از راه دور” یاد می‌کرد.

برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی، کیوبیت‌ها باید تولید، دستکاری و در شبکه‌ای از دستگاه‌های کوانتومی منتقل شوند.

این دستگاه‌ها، مانند رایانه‌های کوانتومی و پردازنده‌های کوانتومی، از طریق کانال‌های کوانتومی به هم متصل هستند که حالت‌های کوانتومی ظریف کیوبیت‌ها را حفظ می‌کنند.

 انتقال کیوبیت‌ها بر اصول درهم تنیدگی و برهم نهی تکیه دارد که امکان انتقال امن و کارآمد اطلاعات را فراهم می کند.

با این حال، بر خلاف بیت‌های رایانه‌ای معمولی که اطلاعات را به صورت ۰ یا ۱ منتقل می‌کنند، کیوبیت‌ها اطلاعات را از طریق ترکیبی از حالت‌های کوانتومی که شرایط منحصربه‌فردی هستند که فقط در مقیاس زیراتمی یافت می‌شوند، منتقل می‌کنند.

کیوبیت‌ها ۰ یا ۱ نیستند، بلکه می توانند در آن واحد هم ۰ و هم ۱ یا هیچکدام باشند که در یک پدیده کوانتومی به نام برهم نهی توضیح داده می‌شوند.

این ویژگی کیوبیت‌ها به رایانه‌های کوانتومی اجازه می دهد تا اطلاعات را به روشی کاملاً متفاوت از همتایان معمولی خود پردازش کنند و بنابراین می‌توانند انواع خاصی از مسائل را حل کنند که حتی برای بزرگترین ابررایانه‌ها چندین دهه طول  خواهد کشید تا چنین مسائلی را حل کنند.

به عنوان مثال، یک حالت کوانتومی که می تواند برای رمزگذاری اطلاعات استفاده شود، خاصیتی به نام “اسپین” است که تکانه زاویه‌ی ذاتی یک الکترون است.

اسپین یا چرخش را می‌توان مانند یک سوزن قطب نما کوچک در نظر گرفت که به سمت بالا یا پایین اشاره می کند. محققان می توانند این سوزن را دستکاری کنند تا اطلاعات را در خود الکترون ها رمزگذاری کنند.

این کار دقیقاً مانند بیت‌های معمولی انجام می‌شود اما در این مورد، اطلاعات در ترکیبی از حالت های ممکن رمزگذاری می‌شوند.

رایانه های کوانتومی به ویژه برای رمزنگاری و همچنین کشف انواع جدید ترکیبات دارویی ( اگر در زمان کرونا کامپیوترهای کوانتومی وجود داشتند زمان رسیدن به واکسن بسیار کمتر می‌شد ) یا مواد جدید برای سلول‌های خورشیدی، باتری ها یا سایر فناوری ها مفید خواهند بود.

اما برای دست‌یابی به این پتانسیل بزرگ، یک کامپیوتر کوانتومی باید بتواند تعداد زیادی کیوبیت را پردازش کند. در واقع بیشتر از هر ماشینی که در حال حاضر وجود دارد.

این به این معنی است که باید راهی پیدا کرد که بتوان چندین کامپیوتر کوانتومی را از طریق اینترنت کوانتومی به هم متصل کرد و توان محاسباتی آنها را جمع کرد و سیستم بسیار توانمندتری ایجاد کرد. در واقع یک سیتم پردازش ابری کوانتومی.

انواع مختلفی از کیوبیت‌ها در حال توسعه هستند و هر کدام دارای مزایا و معایب مشخصی هستند.

 رایج‌ترین کیوبیت‌هایی که امروزه مورد مطالعه قرار می‌گیرند، نقاط کوانتومی، تله‌های یونی، مدارهای ابررسانا و کیوبیت‌های اسپین ناقص هستند.

اینترنت کوانتومی چه کاربردهایی دارد؟

مانند بسیاری از پیشرفت‌های علمی، تا زمانی که اینترنت کوانتومی به‌طور کامل توسعه نیابد، نمی‌توانیم تمام کارهایی که اینترنت کوانتومی می‌تواند انجام دهد را درک کنیم.

کمتر کسی می‌توانست ۶۰ سال پیش تصور کند که تعدادی از رایانه های متصل به هم ،روزی چشم انداز دیجیتالی گسترده‌ای را که امروز  به نام اینترنت می‌شناسیم ایجاد کنند.

اینترنت کوانتومی دنیای ناشناخته مشابهی را ارائه می‌کند. اما باید بدانید که همین حالا هم تعدادی از کاربردها برای اینترنت کوانتومی تئوری‌سازی شده‌اند و حتی برخی قبلاً نشان داده شده‌اند.

در زیر برخی از کاربردهای پردازش کوانتومی را ذکر کرده‌ایم.

رمزنگاری کوانتومی

یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای اینترنت کوانتومی در زمینه رمزنگاری کوانتومی است. روش‌های رمزنگاری سنتی به الگوریتم‌ها و کلیدهای پیچیده برای ایمن کردن ارتباطات متکی هستند، اما می‌توانند در برابر حملات رایانه‌های قدرتمند آسیب‌پذیر باشند.

اما  رمزنگاری کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای اطمینان از رمزگذاری غیر قابل هک استفاده می‌کند.

رمزنگاری کوانتومی با استفاده از ویژگی‌های منحصربه‌فرد کیوبیت‌ها، مانند حساسیت آن‌ها به اندازه‌گیری و نامشخص بودن آن‌ها، سطح جدیدی از امنیت را ارائه می‌کند که در برابر تلاش‌های هک مصون است.

محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی حوزه دیگری است که از توسعه اینترنت کوانتومی بهره زیادی می‌برد. کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل حل مسائل پیچیده‌ای را دارند که در حال حاضر برای کامپیوترهای کلاسیک غیرقابل حل هستند.

 کامپیوترهای کوانتومی با توانایی پردازش همزمان مقادیر وسیعی از داده‌ها و انجام محاسبات موازی، می‌توانند زمینه‌هایی مانند کشف دارو، بهینه‌سازی و یادگیری ماشین را متحول کنند.

 اینترنت کوانتومی اشتراک گذاری منابع محاسباتی و ادغام قدرت محاسباتی کوانتومی را امکان پذیر می‌کند که منجر به پردازش الگوریتم‌های کوانتومی قدرتمندتر و کارآمدتر شود.

شبکه‌های ارتباطی کوانتومی

اینترنت کوانتومی همچنین امکان توسعه شبکه‌های ارتباطی پیشرفته با قابلیت‌های پیشرفته را فراهم می کند.

شبکه‌های ارتباطی کوانتومی کانال‌های ارتباطی امن و بدون دستکاری را فراهم می‌کنند و شنود را عملاً غیرممکن می‌کنند. دستاورد قابل توجهی برای صنایعی مانند امور مالی، دولتی و دفاعی خواهد بود. جایی که ارتباطات امن از اهمیت بالایی برخوردار است.

با اینترنت کوانتومی چقدر فاصله داریم؟

تا به امروز، هیچ کس نتوانسته است با موفقیت یک شبکه کوانتومی پایدار در مقیاس بزرگ ایجاد کند، اما پیشرفت های بزرگی وجود داشته است.

در سال ۲۰۱۷، محققان دانشگاه علم و صنعت چین از لیزر برای انتقال موفقیت آمیز فوتون های درهم تنیده بین یک ماهواره در مدار و ایستگاه‌های زمینی استفاده کردند.

این آزمایش امکان استفاده از ماهواره‌ها را برای تشکیل بخشی از یک شبکه کوانتومی نشان داد، اما این سیستم تنها قادر به بازیابی یک فوتون از هر ۶ میلیون بود که برای ارتباطات قابل اعتماد بسیار کم بود.

در ژانویه ۲۰۲۰، محققان دانشگاه شیکاگو و آزمایشگاه ملی آرگون یک حلقه کوانتومی ۵۴ مایلی را با موفقیت آزمایش کردند.

این پروژه عملکرد اصلی مورد نیاز برای یک خط شبکه کوانتومی را با حمل پالس های نوری با تاخیر تنها ۲۰۰ میلی ثانیه نشان داد.

در ژوئن ۲۰۲۲، یک پسوند ۳۵ مایلی به شبکه شیکاگو اضافه شد و آن را به یکی از طولانی‌ترین شبکه‌های آمریکا تبدیل کرد. این شبکه اکنون از شش گره و ۱۲۴ مایل فیبر نوری تشکیل شده است.

 ذرات انتقال دهنده اطلاعات رمزگذاری شده کوانتومی بین آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده در حومه شهر لمونت و دو ساختمان در سمت جنوبی شیکاگو، یکی در محوطه دانشگاه شیکاگو و دیگری در مقر CQE انتقال پیدا می‌کنند که دستاوردی شگفت‌آور است.

شبکه گسترده شیکاگو نشان‌دهنده یک جهش اساسی در مقیاس شبکه‌های کوانتومی است و راه را برای سیستم‌های بین ایالتی حتی بزرگ‌تر هموار می‌کند.

چه چیز دیگری برای ساخت اینترنت کوانتومی مورد نیاز است؟

در حالی که اینترنت کوانتومی فراتر از حد تئوری حرکت کرده است، دانشمندان هنوز در حال تکمیل بسیاری از سخت افزارهای ضروری آن، از جمله اجزای مسئول تولید، انتقال و همگام سازی کیوبیت‌ها هستند.

بنابراین شاید حداقل ۱۵ سال دیگر تا لذت کامل از این فناوری هیجان انگیز فاصله خواهیم داشت.