دورنوردی داده گام دیگری به سمت «اینترنت کوانتوم»

محققان مختلف از سانتا باربرای کالیفرنیا تا هیفی چین در حال ساخت کامپیوتر جدیدی هستند که ماشین‌های امروزی در مقایسه با آن شبیه به اسباب‌بازی خواهند بود.

این تکنولوژی با استفاده از قدرت خارق‌العاده مکانیک کوانتوم، کارهایی را  که حتی ابرکامپیوترهای امروز برای انجامش به هزاران سال زمان نیاز دارند، در چند دقیقه انجام می‌دهد. گوگل در سال ۲۰۱۹ یک نسخه آزمایشی کامپیوتر کوانتومی را برای نشان دادن امکانات این تکنولوژی به نمایش درآورد. دو سال بعد، از آزمایشگاهی در چین هم اقدامی مشابه را شاهد بودیم.

اما موفقیت رایانش کوانتومی به موفقیت نوآوری دیگری گره خورده‌است. این نوآوری با نام «اینترنت کوانتومی» یاد می‌شود. شبکه کامپیوتری که اطلاعات کوانتومی را بین ماشین‌های کوانتومی جابجا می‌کند.

تیمی از محققان دانشگاه فناوری دلف هلند گام بزرگی به سمت تحقق این شبکه کامپیوتری برداشته‌اند. این کار با استفاده از تکنیکی به نام دورنوردی کوانتوم (Quantum teleportation) انجام شده که داده را بین سه مکان فیزیکی جابجا می‌کند. پیش از این جابجایی تنها بین دو مکان امکان‌پذیر بود.

این آزمایش جدید نشان می‌دهد که محققان می‌توانند شبکه کوانتومی را تا پایگاه‌های متعددی توسعه دهند. رونالد هانسون، یکی از محققان دلف که وظیفه نظارت بر این تیم را برعهده دارد، می‌گوید: «ما حالا می‌توانیم شبکه‌ّای کوانتومی کوچکی را در آزمایشگاه بسازیم. اما هدف این است که نهایتا امکان ساخت یک اینترنت کوانتومی فراهم شود.»

تحقیقات این گروه که هفته جاری (چهارمین هفته ماه مه) با مقاله‌ای در مجله علمی نیچر منتشر شد، از قدرت پدیده‌ای بهره می‌گیرد که به زمانی انیشتین آن را غیرممکن تلقی می‌کرد. دورنوردی کوانتومی می‌تواند بدون انتقال ماده فیزیکی، اطلاعات را بین مکان‌های مختلف جابجا کند.

این تکنولوژی نحوه انتقال داده از مکانی به مکان دیگر را به کلی متحول می‌کند و پشتوانه‌اش بیش از یک قرن تحقیقات مکانیک کوانتومی است. این شاخه فیزیک که به بعد زیراتمی (subatomic) مربوط است و با آنچه در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم به کلی متفاوت است. دورنوردی کوانتومی نه تنها داده را بین کامپیوترهای کوانتومی جابجا می‌کند، بلکه این کار را به گونه‌ای انجام می‌دهد که هیچکس امکان مداخله در آن را نخواهد داشت.

تریسی الینور نورساپ، یکی از محققان موسسه آزمایشات فیزیک در دانشگاه اینسبراک که در زمینه دورنوردی کوانتوم فعالیت دارد، می‌گوید: «کامپیوتر کوانتومی حالا نه تنها می‌تواند مساله مورد نظر شما را حل کند، بلکه اطلاعی هم از ماهیت مساله نخواهد داشت. در حال حاضر اما اینچنین نیست، گوگل مطلع است که چه کاری روی سرورش انجام می‌دهید.»

یک کامپیوتر کوانتومی از فعالیت عجیب برخی چیزها در مقیاس بسیار کوچک (مثل الکترون یا ذره‌ای از نور) یا بسیار سرد (مثل فلزی که تا نزدیک صفر درجه سرد شده) استفاده می‌کند. در این شرایط، یک شی در آن واحد همانند دو شی جداگانه رفتار می‌کند.

کامپیوترهای قدیمی با پردازش «بیت‌ها»ی اطلاعات که هرکدام مقدار ۰ یا یک دارند فعالیت می‌کنند. یک بیت کوانتومی یا کوبیت، با استفاده از رفتار عجیبی که در مکانیک کوانتوم شاهد هستیم، می‌تواند ترکیبی از یک و ۰ را ذخیره کند. کمی شبیه به یک سکه در حال چرخش که هنگام برخورد با زمین می‌تواند شیر یا خط باشد اما در زمان چرخش هردو احتمال را به یک اندازه در خود دارد.

درنتیجه دو کوبیت در یک لحظه چهار مقدار را در خود جای می‌دهند و سه کوبیت می‌تواند هشت مقدار را در خود جای دهد و چهار کوبیت ۱۶ و الی آخر. با افزایش تعداد کوبیت‌ها، کامپیوتر کوانتومی هم به صورت تصاعدی قدرتمند‌تر می‌شود.

محققان باور دارند که این دستگاه‌ها روزی قدرت لازم برای ساخت داروهای جدید و رشد هوش مصنوعی بدست می‌آوردند و خیلی راحت قفل حتی قدرتمندترین کامپیوترهای امنیت ملی را باز می‌کنند. دولت‌ها،‌ آزمایشگاه‌های علمی، استارت‌آپ‌ها و غول‌های تکنولوژی در سراسر جهان میلیارد‌ها دلار برای اکتشاف این تکنولوژی هزینه‌ کرده‌اند.

گوگل در سال ۲۰۱۹ اعلام کرد که ماشین ساخت این شرکت به «برتری کوانتومی» مد نظر محققان دست پیدا کرده و درنتیجه می‌تواند یک کار آزمایشی که با کامپیوترهای قدیمی غیر ممکن بود را به انجام رساند. اما بیشتر متخصصان باور دارند برای اینکه یک کامپیوتر کوانتومی در عمل کار مفیدی را به انجام رساند، حداقل به چند سال زمان دیگر نیاز است.

یکی از مشکلات این است که وقتی اطلاعات کوبیت‌ها را بخوانید، آن کوبیت متلاشی یا «decohere» شده و در واقع به یک بیت ساده با قابلیت نگهداری ۰ یا یک تبدیل می‌شود. محققان امیدوارند که با متصل کردن زنجیره‌ای از کوبیت‌ها و جلوگیری از متلاشی شدن آنها ماشین‌هایی قدرتمند و با قابلیت عملی ایجاد کنند.

نهایتا و در حالت ایده‌آل، این ماشین‌ها به شبکه‌هایی متصل می‌شوند که می‌توان اطلاعات را بین گره‌هایی ارسال کند. درست شبیه به خدمات ابری گوگل و آمازون که در حال حاضر برای کامپیوترهای قدیمی استفاده می‌شوند.

اما این کار هم مشکلات خاص خود را دارد. اطلاعات کوانتومی را به دلیل همان مساله متلاشی شدن نمی‌توان به سادگی کپی و ارسال کرد و در اینجا دورنوردی کوانتومی وارد عمل می‌شود.

این روش با اینکه امکان انتقال اشیا را ندارد، اما می‌تواند با استفاده از قابلیتی به نام «درهم‌تنیدگی» کوانتومی،‌اطلاعات را جابجا کند. درهم‌تنیدگی کوانتوم به حالتی از سیستم کوانتومی گفته می‌شود که در لحظه بر وضعیت سیستم کوانتوم دیگری در یک جای دیگر تاثیر می‌گذارد.

دکتر نورثاپ می‌گوید: «پس از درهم‌تنیدگی، دیگر نمی‌توانید این دو حالت را به صورت مجزا تعریف کنید. اساسا در این لحظه دیگر شاهد یک سیستم واحد هستیم.»

این سیستم‌های در هم‌تنیده می‌توانند الکترون، ذرات نور یا اشیا باشند. دکتر هانسون و تیمش در هلند از چیزی به نام مرکز خلا نیتروژن برای این کار استفاده کردند. مرکز خلا نیتروژن یک فضای کوچک خالی در یک الماس مصنوعی است که الکترون‌ها را در خود زندانی می‌کند.

این تیم سه نمونه از این سیستم کوانتومی را با نام‌های آلیس، باب و چارلی ساخته و با رشته‌ای از فیبر نوری به هم متصل کرده‌است. محققان سپس با ارسال فتون‌ یا ذرات نور بین این سیستم‌‌ها، آنها را درهم‌تنیده کردند.

محققان ابتدا دو الکترون که یکی متعلق به آلیس و دیگری متعلق به باب بود را درهم‌تنیده کردند. درنتیجه دور الکترون‌ها با هم یکی شد و به حالت کونتوامی مشترک دست پیدا کردند و به اصطلاح در هم‌تنیده شدند و هرکدام اطلاعات یکسانی را در خود داشتند: یعنی ترکیب یکسانی از یک و ۰.

آنها سپس توانستند این حالت کوانتومی را به کوبیت دیگری که یک هسته کربن درون الماس مصنوعی باب بود منتقل کنند. این کار الکترون باب را آزاد کرد و سپس محققان آن الکترون را با الکترون دیگری در چارلی در هم‌تنیده کردند.

سپس محققان با انجام همین عملیات روی هردو کوبیت‌های باب (الکترون و هسته کربن) توانستند دو درهم‌تنیدگی را به هم متصل کنند: آلیس بعلاوه باب به باب بعلاوه چارلی متصل شد.

درنتیجه آلیس با چارلی در هم‌تنیده شد و امکان انتقال داده بین هر سه گره فراهم گردید.

در این حالت و با انتقال داده بدون انتقال ماده، احتمال از دست رفتن اطلاعات از بین می‌رود. دکتر هانسون می‌گوید: «اطلاعات را می‌توان به یک سمت از اتصال وارد کرد و سپس در آن سمت ظاهر می‌شود.»

با استفاده از این نوع اتصال، امکان اخلال و قطع اطلاعات وجود ندارد. اینترنت کوانتومی آینده به لطف دورنوردی کوانتومی می‌توانند نوع تازه‌ای از رمزنگاری را امکان‌پذیر سازد که اساسا غیر قابل نفوذ خواهد بود.

گره‌های این شبکه در آزمایش انجام گرفته فاصله چندانی با یکدیگر نداشتند اما آزمایش‌هایی پیش از این نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی از فواصل دور هم امکان‌پذیر است.

محققان امیدوارند که پس از چند سال تحقیقات، دورنوردی کوانتومی بتواند برای مسافت‌های چند مایلی و چند کیلومتری به کار گرفته شود. دکتر هانسون می‌گوید: «ما فعلا سعی داریم که این کار را خارج از آزمایشگاه هم انجام دهیم.»

منبع: NYTimes