مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا برای اولین بار موفق شدند سیگنال‌های کوانتومی را با استفاده از پروتکل اینترنت استاندارد روی کابل‌های فیبر نوری تجاری ارسال کنند. این دستاورد بزرگ، راه را برای ساخت یک شبکه کوانتومی بزرگ مقیاس با استفاده از زیرساخت‌های موجود هموار می‌کند.
طی آزمایش که می‌تواند مسیر توسعه اینترنت را برای همیشه تغییر دهد، مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا موفق شدند برای اولین بار شبکه‌های کوانتومی را از محیط آزمایشگاهی خارج کرده و با استفاده از همان پروتکل اینترنتی که با آن این صفحه را می‌خوانید، روی کابل‌های فیبر نوری تجاری پیاده‌سازی کنند. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که سیگنال‌های کوانتومی بسیار حساس و شکننده می‌توانند بر روی همان زیرساختی حرکت کنند که ترافیک روزمره آنلاین ما را حمل می‌کند. این آزمایش بر روی شبکه فیبر نوری متعلق به شرکت Verizon در محوطه دانشگاه انجام شد.
اینترنت کوانتومی چیست و به چه کار می‌آید؟
سیگنال‌های کوانتومی بر پایه پدیده‌ای به نام «درهم‌تنیدگی کوانتومی» کار می‌کنند. در این حالت، دو ذره به گونه‌ای به هم مرتبط می‌شوند که تغییر در یکی، فوراً بر دیگری تأثیر می‌گذارد. بهره‌برداری از این ویژگی می‌تواند به کامپیوترهای کوانتومی اجازه دهد تا به یکدیگر متصل شده و قدرت پردازشی خود را به اشتراک بگذارند. چنین شبکه‌ای، پیشرفت‌هایی عظیم مانند هوش مصنوعی سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر یا طراحی داروها و مواد جدیدی که فراتر از توان ابرکامپیوترهای امروزی است را ممکن می‌سازد.
در همین رابطه بخوانید:
- اینترنت کوانتومی چیست و چرا کشورهای پیشرفته به دنبال آن هستند؟
- همه چیز درباره رایانش کوانتومی و کاربردهای فوق‌العاده‌ای که باید منتظر آنها باشیم
علاوه‌بر این، به دلیل حساسیت‌های سیگنال کوانتومی، عملاً شنود آن بدون اطلاع فرستنده و گیرنده غیرممکن است. این ویژگی می‌تواند به توسعه شبکه‌هایی امن‌تر منجر شود.
تراشه Q-Chip: پلی میان دنیای کوانتوم و اینترنت کلاسیک
بزرگترین چالش در شبکه‌های کوانتومی این است که هرگونه اندازه‌گیری یا مشاهده ذرات کوانتومی، حالت منحصربه‌فرد آنها را از بین می‌برد. رابرت بروبرگ، دانشجوی دکترای مهندسی برق و سیستم‌ها و یکی از نویسندگان مقاله، توضیح می‌دهد:
شبکه‌های معمولی داده‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند تا آنها را به مقصد نهایی هدایت کنند. در شبکه‌های کاملاً کوانتومی، شما نمی‌توانید این کار را انجام دهید، زیرا اندازه‌گیری ذرات، حالت کوانتومی را نابود می‌کند.
برای غلبه بر این مانع، تیم پنسیلوانیا تراشه‌‌ای به نام Q-Chip یا Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics را توسعه داد. این تراشه یک سیگنال «کلاسیک» را کمی جلوتر از سیگنال کوانتومی ارسال می‌کند و سپس داده‌های کوانتومی روانه مقصد می‌شوند. ییچی ژانگ، دانشجوی دکترای علوم مواد و نویسنده اصلی مقاله، این فرآیند را به یک قطار تشبیه می‌کند:
(در این روش) بخش اول هر بسته پیام یا Header مانند لوکوموتیو قطار عمل می‌کند، در حالی که اطلاعات کوانتومی در واگن‌های مهر و موم شده پشت سر آن حرکت می‌کنند. شما نمی‌توانید واگن‌ها را باز کنید بدون اینکه محتویات آن از بین برود، اما لوکوموتیو تضمین می‌کند که کل قطار به مقصد صحیح می‌رسد.
از آنجایی که اطلاعات موجود در بخش Header پیام داده‌های کلاسیک و قابل اندازه‌گیری است، کل سیستم می‌تواند از همان پروتکل IP که ترافیک اینترنت امروزی را مدیریت می‌کند، استفاده کند. این ویژگی، کلید اصلی برای مقیاس‌پذیری اینترنت کوانتومی با استفاده از زیرساخت‌های موجود است.
مقابله با نویز دنیای واقعی
یکی از بزرگترین موانع انتقال پیام‌های کوانتومی روی زیرساخت‌های تجاری، نوسانات و نویزهای موجود در دنیای واقعی است. برخلاف محیط‌های آزمایشگاهی، شبکه‌های تجاری با تغییرات دما به دلیل آب و هوا، لرزش‌های ناشی از فعالیت‌های انسانی مانند ساخت‌وساز و حمل‌ونقل و عوامل دیگر مواجه هستند.
محققان برای مقابله با این مشکل، یک روش تصحیح خطا توسعه دادند. از آنجایی که سیگنال کلاسیک و کوانتومی مسیر یکسانی را طی می‌کنند، هرگونه تداخل بر روی هدر کلاسیک، تأثیر مشابهی بر سیگنال کوانتومی خواهد داشت. لیانگ فنگ، استاد ارشد این پروژه، می‌گوید:
چون می‌توانیم سیگنال کلاسیک را بدون آسیب رساندن به سیگنال کوانتومی اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم اصلاحات لازم برای سیگنال کوانتومی را بدون اندازه‌گیری مستقیم آن استنباط کنیم و حالت کوانتومی را حفظ نماییم.
در آزمایش‌ها، این سیستم به دقت بالای ۹۷ درصد دست یافت که نشان می‌دهد می‌تواند بر نویز و اختلاتی که معمولاً سیگنال‌های کوانتومی را در خارج از آزمایشگاه بلااستفاده می‌کند، غلبه کند.
آینده اینترنت کوانتومی
اگرچه این آزمایش در مقیاس کوچک و بین دو ساختمان با فاصله حدود یک کیلومتر انجام شده است، اما نشان می‌دهد که می‌توان از سیستم‌های موجود برای انتقال سیگنال‌های کوانتومی استفاده کرد. همچنین تراشه Q-Chip مورد استفاده در این آزمایش با تکنیک‌های رایج تولید می‌شود که امکان تولید انبوه آن را فراهم می‌کند.
در همین رابطه بخوانید:
- انقلاب کوانتومی روی سیلیکون: اولین تراشه فوتونیک-الکترونیک در خط تولید تجاری ساخته شد
با این حال، مانع اصلی برای گسترش شبکه‌های کوانتومی فراتر از مناطق شهری، عدم امکان تقویت سیگنال‌های کوانتومی بدون از بین بردن درهم‌تنیدگی آن‌هاست. با این حال، این پژوهش یک گام اولیه و حیاتی است که نشان می‌دهد چگونه یک تراشه می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی را با مسیریابی به سبک اینترنت، سوئیچینگ پویا و کاهش خطای روی تراشه، بر روی فیبر نوری تجاری موجود اجرا کند.
بروبرگ می‌گوید:
این حس شبیه به روزهای اولیه اینترنت کلاسیک در دهه ۱۹۹۰ است، زمانی که دانشگاه‌ها برای اولین بار شبکه‌های خود را به هم متصل کردند. آن اتفاق دری را به روی تحولاتی گشود که هیچ‌کس نمی‌توانست پیش‌بینی کند. اینترنت کوانتومی نیز همین پتانسیل را دارد.
نتایج این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت