اینترنت کوانتومی و شبکه فوتونی

فراتر از صفر و یک کلاسیک؛ درهم‌تنیدگی کوانتومی چگونه کار می‌کند؟

در تمام طول تاریخ شبکه‌های کامپیوتری، اطلاعات با ارسال امواج رادیویی، پالس‌های ولتاژ یا پرتوهای نور در قالب بیت‌های گسسته صفر و یک جابه‌جا شده‌اند. اگر یک استراق‌سمع‌کننده بر سر راه کابل نوری قرار گیرد، می‌تواند بخشی از نور را با شکست نوری منحرف کرده و داده‌ها را بدون اینکه فرستنده یا گیرنده متوجه شوند بخواند. مکانیک کوانتومی این قانون را به کلی باطل می‌کند.

اینترنت کوانتومی نه بر پایه انتقال داده‌های کلاسیک، بلکه بر پایه پدیده «درهم‌تنیدگی کوانتومی» (Quantum Entanglement) کار می‌کند؛ پدیده‌ای که آلبرت اینشتین با تردید آن را «عمل شبح‌وار از راه دور» می‌خوانید. وقتی دو فوتون درهم‌تنیده خلق می‌شوند، حالت اسپین یا قطبش آنها به یکدیگر گره می‌خورد. اگر وضعیت یکی از ذرات سنجیده شود، ذره دیگر بدون درنگ و فارغ از فاصله فضایی میان آنها، حالتی متناظر به خود می‌گیرد.

بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و قضیه منع شبیه‌سازی (No-Cloning Theorem)، هرگونه تلاش جاسوسی برای اندازه‌گیری این ذرات در طول مسیر، تابع موج کوانتومی را فرو می‌ریزد و فوراً هر دو طرف را از نفوذ مطلع ساخته و داده را بی‌اعتبار می‌کند.

معمای ریپیترهای کوانتومی و شکستن رکورد فاصله ۵۰۰ کیلومتری

تا همین سال گذشته، بزرگ‌ترین چالش انتقال فوتون‌های کوانتومی، جذب طبیعی نور در هسته شیشه‌ای فیبرهای نوری بود. فوتون‌های تک‌ذره بعد از طی مسافتی حدود ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتر جذب سیلیکا می‌شدند و از دست می‌رفتند. در شبکه‌های معمولی، از تقویت‌کننده‌های نوری کلاسیک استفاده می‌شود، اما تقویت‌کننده کوانتومی نمی‌تواند بدون خواندن ذره و تخریب درهم‌تنیدگی، آن را تقویت کند.

جهش تاریخی دوران معاصر با توسعه موفق «تکرارکننده‌های کوانتومی» (Quantum Repeaters) مبتنی بر خاطره‌های کریستالی ایتریوم-سیلیکات در دمای نزدیک به صفر مطلق (۴ کلوین) رقم خورد. دانشمندان با تکنیک «جابه‌جایی درهم‌تنیدگی» (Entanglement Swapping)، دو ذره درهم‌تنیده را در گره‌های میانی به هم پیوند می‌زنند بدون اینکه نیازی به برقراری ارتباط نوری پیوسته میان مبدا و مقصد باشد.

این دستاورد موجب شد کنسرسیوم EuroQCI در اروپا و شبکه آزمایشی یانگهه در آسیا، نخستین لینک فیبر نوری بین‌شهری پایدار به طول ۵۴۰ کیلومتر را بدون افت کیفی کیوبیت‌ها زیر بار ترافیکی قرار دهند.

همگرایی زمین و فضا: ماهواره‌های رله لیزری

برای مسافت‌های قاره‌ای که استفاده از فیبرهای زمینی بسیار گران و با تاخیر همراه است، چاره کار در بالای جو زمین نهفته است. در خلا فضا، هیچ اتمی برای پراکندگی و جذب فوتون‌ها وجود ندارد؛ بنابراین فوتون‌های درهم‌تنیده می‌توانند هزاران کیلومتر را بدون ذره‌ای افت پرواز کنند.

امروزه شبکه ماهواره‌های مدار پایین (LEO) مجهز به فرستنده‌های لیزری کوانتومی، لینک‌های مستقیمی با ایستگاه‌های زمینی تلسکوپی برقرار کرده‌اند. این ایستگاه‌ها با استفاده از اپتیک سازگارپذیر (Adaptive Optics)، اعوجاج جو زمین را اصلاح کرده و کلیدهای کوانتومی امن را با سرعت چندین مگابیت در ثانیه میان قاره‌ها تبادل می‌کنند.

این پیشرفت‌های اپتیکی دقیقاً در همان زیرساخت‌هایی ریشه دارند که در پروژه تلسکوپ فضایی نانسی رومان و ماموریت‌های پایگاه ماه آرتمیس برای رصد اعماق کیهان و هدایت مخابرات دوردست قمری توسعه یافته بودند.

محاسبات کوانتومی توزیع‌شده؛ اتحاد مغزهای کوانتومی جهان

اینترنت کوانتومی صرفاً یک ابزار فوق‌امن برای ارسال پیام‌های محرمانه بانکی و دیپلماتیک نیست؛ کاربرد والاتر آن در ایجاد «ابرکامپیوترهای کوانتومی خوشه‌ای» (Distributed Quantum Computing) است.

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با یک میلیون کیوبیت در یک محفظه برودتی واحد به دلیل تداخل امواج مایکروویو و ارتعاشات حرارتی کاری به شدت دشوار است. اما اینترنت کوانتومی اجازه می‌دهد ده پردازنده ۱۰۰۰ کیوبیتی در شهرهای مختلف به صورت درهم‌تنیده به یکدیگر متصل شوند و مانند یک ماشین واحد ۱۰ هزار کیوبیتی عمل کنند.

این کلاسترینگ عظیم، شبیه‌سازی ساختار پروتئین‌های پیچیده، کشف آلیاژهای فراماده برای رآکتورهای انرژی نظیر پروژه‌های پیشرفت‌های رآکتورهای توکامک در مسیر تولید انرژی همجوشی تجاری و مدل‌سازی دگرگونی‌های اقلیمی را وارد فازی نو کرده است.

چشم‌انداز و پیامدهای فلسفی اینترنت کوانتومی برای تمدن بشری

ورود به عصر وب کوانتومی نشان می‌دهد که درک بشر از بافتار فضا و زمان و جریان اطلاعات به بلوغی بی‌سابقه رسیده است. ما در آستانه جهانی ایستاده‌ایم که در آن فاصله فیزیکی دیگر مانعی برای همبستگی کوانتومی نیست و اطلاعات، بنیادی‌ترین واحد تشکیل‌دهنده تار و پود کیهان، با امنیتی زاییده از خود قوانین فیزیک جریان می‌یابد.