اختراع اینترنت کوانتومی : آیا انقلابی دیگر در راه است؟

اختراع اینترنت کوانتومی : آیا انقلابی دیگر در راه است؟

پنجاه سال بعد از تولد اینترنت فعلی، فیزیک‌دان و دانشمند علوم کامپیوتر، استفانی وینر (Stephanie Wehner)، در حال برنامه‌ریزی و طراحی نوع دیگری از اینترنت است: یک نسخه‌ی کوانتومی از اینترنت. اینترنت کوانتومی، بستری براساس مفاهیم مکانیک کوانتومی است که سختی‌ها و هیجانات مخصوص خود را دارد.

اولین داده‌ی مبادله شده در آرپانت (نمونه‌ی اولیه از شبکه‌ی تبادل اطلاعات که منجر به اینترنت شد)، در تاریخ 29ام اکتبر سال 1969 از یک کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس (UCLA)، به کامپیوتر دیگری در موسسه‌ی تحقیقاتی استنفورد (SRI) در پالو آلتو ارسال شد.

عصر آن روز، تیم دانشگاه UCLA از طریق تماس تلفنی با تیم SRI هماهنگ شدند و شروع به تایپ واژه‌ی LOGIN کردند. دانشمند علوم کامپیوتر UCLA، لئونارد کلاینروک (Leonard Kleinrock)، اخیرا خاطره‌ی آن روز را بیان کرده است: «ما L را تایپ کردیم و در تلفن پرسیدیم که آیا L را دریافت کردید؟ آن‌ها پاسخ دادند بله. ما O را تایپ کردیم و از آن‌ها پرسیدیم که آیا O را دریافت کردید؟ آن‌ها پاسخ دادند بله. ما G را تایپ کردیم و از آن‌ها پرسیدیم که آیا G را دریافت کردید؟ نه! گیرنده‌ی SRI از کار افتاده بود. بنابراین، آن اولین پیامی بود که باعث وقوع انقلابی شد که ما اکنون آن را اینترنت می‌نامیم.»

قابلیت شبکه‌ها برای ارسال اطلاعات و همچنین گرایش آن‌ها به خرابی یا به عبارتی رفتار غیرقابل پیش‌بینی آن‌ها، همواره باعث حیرت استفانی بوده است. او می‌گوید: «در روی یک کامپیوتر تنها، همه چیز بخوبی و مرتب اتفاق می‌افتد؛ اما در یک شبکه، اتفاقات ناخواسته و غیر منتظره‌ی بسیاری می‌تواند رخ دهد». این امر در دو حالت می‌تواند صحیح باشد، اول اینکه برنامه‌هایی که بر روی کامپیوترهای متصل به شبکه اجرا می‌شوند، بشدت با یکدیگر تداخل داشته باشند و دوم اینکه کاربران شبکه، کارهای خلاقانه انجام دهند. استفانی راجع به اینترنت می‌گوید: « مردم در ابتدا تصور می‌کردند که ما از اینترنت فقط برای ارسال تعدادی فایل استفاده خواهیم کرد.»

استفانی برای اولین بار در حدود سال 1992 استفاده از اینترنت را تجربه کرد و یا به اصطلاح آنلاین شد. این تجربه چند سال قبل از اینکه استفاده از اینترنت آسان شود، برای استفانی اتفاق افتاد. استفانی در آن زمان یک نوجوان و برنامه‌نویس زبردست در آلمان بود که به زودی به یک هکر در فضای نوظهور اینترنت تبدیل شد. استفانی در بیست سالگی بعنوان یک هکر خوب، شغلی را بدست آورد که عوامل آسیب‌پذیری شبکه را برای یک ارائه دهنده‌ی اینترنت، از بین می‌برد. او از هک کردن خسته شد و در جستجوی درک عمیق‌تری از ارسال اطلاعات و شبکه‌ها رفت.

استفانی اکنون یکی از خوش‌فکرترین رهبران جنبش خلق نوع جدیدی از اینترنت است. او اکنون بر روی طراحی اینترنت کوانتومی کار می‌کند. اینترنت کوانتومی، شبکه‌ای است که بر خلاف شبکه‌ی اینترنت کنونی که بیت‌های دیجیتالی کلاسیک با مقدار صفر و یک را ارسال می‌کند، کیوبیت‌ها را ارسال خواهد کرد. مقادیر کیوبیت‌ها در شبکه‌ی اینترنت کوانتومی، بطور همزمان، شامل هر دو مقدار احتمال‌های صفر و یک می‌شود. این کیوبیت‌ها، ممکن است از فوتون‌هایی ساخته شده باشند که ترکیب دو قطبش متفاوت را شامل می‌شوند. شاید قابلیت ارسال کیوبیت‌ها از یک مکان به مکان دیگر از طریق کابل‌های فیبر نوری، جامعه را به اندازه‌ی اینترنت کلاسیک دگرگون نکند؛ اما یکبار دیگر بسیاری از جنبه‌های علم و فرهنگ؛ از امنیت گرفته تا محاسبات و ستاره‌شناسی را تغییر خواهد کرد.

استفانی، هماهنگ‌کننده‌ی فعالیت‌ها و برنامه‌های اتحادیه‌ی اینترنت کوانتومی است. این اتحادیه، یک انجمن اروپایی است که برای ساخت یک شبکه‌ی انتقال اطلاعات کوانتومی بین قاره‌ای پیشقدم شده است. استفانی به همراه دو همکارش، یک برنامه‌ی شش مرحله‌ای را به منظور تحقق اینترنت کوانتومی در مقاله‌ای در اکتبر امسال در مجله‌ی science به تصویر کشیده است که هر مرحله‌ی توسعه‌ای این برنامه، الگوریتم‌ها و کاربردهای جدیدی را پشتیبانی خواهد کرد. اولین مرحله از این برنامه، ساخت یک شبکه‌ی کوانتومی که چهار شهر را در هلند به یکدیگر متصل می‌کند (نوع مشابهی از آرپانت)، در حال انجام است. تریسی نورثاپ (Tracy Northup)، یکی از اعضای اتحادیه‌ی اینترنت کوانتومی که در دانشگاه اینسبروک مستقر است، در تعریف و تمجید از استفانی می‌گوید: «وسعت دید استفانی و همچنین تعهد او به ساخت ساختارهای بزرگ‌مقیاس، تحقق اینترنت کوانتومی را ممکن خواهد کرد.»

استفانی بعد از اینکه هکری را رها کرد، با هدف یادگیری علوم کامپیوتر و فیزیک، وارد دانشگاهی در هلند شد. روزی او با خبر شد که نظریه‌پرداز اطلاعات کوانتومی، جان پرسکیل (John Preskill)، در یک سخنرانی در دانشگاه لیدن (Leiden )، راجع به مزایای بیت‌های کوانتومی نسبت به بیت‌های کلاسیک در ارتباطات سخنرانی خواهد کرد. چند سال بعد، وقتی مدرک دکترای خود را دریافت کرد، بیت‌های کلاسیک را رها کرد و به گروه تحقیقاتی پرسکیل بعنوان دانشجوی پسادکتری در موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) پیوست.

در کلتک علاوه بر اینکه چند قضیه قابل توجه راجع به اطلاعات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و راجع به ماهیت خود مکانیک کوانتومی ارائه کرد، آنطور که پرسکیل اظهار کرده است، بعنوان یک رهبر ذاتی و بالفطره ظاهر شد که در برخی مواقع، مانند چسبی بود که انسان‌ها را به یکدیگر پیوند می‌زد. در سال 2014، بعد از یک دوره‌ی پروفسوری در سنگاپور، به هلند و دانشگاه دلفت مهاجرت کرد. همان جایی که یک کار مشترک را با همکاری تجربی‌کاران حوزه‌ی کوانتوم، برای بنا نهادن زمینه‌های اینترنت کوانتومی شروع کرد. نوشتار زیر، خلاصه‌ی مصاحبه‌ای از وب‌سایت کوانتامگزین با استفانی می‌باشد.

اینترنت کوانتومی، شبکه‌ای برای انتقال کیوبیت‌ها بین مکان‌های دور از یکدیگر است. چرا ما به این کار نیاز داریم؟

ایده‌ی اینترنت کوانتومی، جایگزین کردن اینترنت فعلی با آن نیست؛ بلکه هدف، افزودن قابلیت‌های جدید و خاص است. کاربردهای شبکه‌های کوانتومی بسیار زیاد و در همه‌ی انواع وجود دارد که در آینده کشف خواهند شد و ما اکنون فقط تعداد معدودی از آن‌ها را می‌دانیم. البته، مشهورترین کاربرد شبکه و اینترنت کوانتومی، ارتباطات امن است. ارتباطات امن در واقع، انجام عملی به نام توزیع کلید کوانتومی است که با پیاده‌سازی و بهره‌برداری از آن، حتی اگر فرد مهاجم نیز، از کامپیوتر کوانتومی استفاده کند، امنیت حفظ می‌شود. یک کامپیوتر کوانتومی قادر به شکستن بسیاری از پروتکل‌های امنیتی امروزی خواهد بود.

چه چیزی باعث می‌شود کلید‌های کوانتومی بسیار امن شوند؟

یک روش خوب برای اینکه درک کنیم اینترنت کوانتومی چه کارهایی می‌تواند انجام دهد، توجه به درهم‌تنیدگی کوانتومی است. درهم‌تنیدگی کوانتومی یک ویژگی بخصوص است که دو کیوبیت می‌توانند داشته باشند و این ویژگی، عامل تحقق همه‌ی این کارهایی است که می‌خواهیم انجام دهیم. اولین ویژگی درهم‌تنیدگی کوانتومی، هماهنگی حداکثری (maximally coordinated) است. به اینصورت که، من یک کیوبیت اینجا (در هلند) خواهم داشت، و شما نیز یک کیوبیت دیگر در نیویورک، و ما از اینترنت کوانتومی به منظور درهم‌تنیده کردن این دو کیوبیت استفاده خواهیم کرد. بعد از انجام درهم‌تنیدگی کوانتومی بین این دو کیوبیت، اگر من یک اندازه‌گیری بر روی کیوبیت در هلند انجام دهم و شما نیز همان اندازه‌گیری را در نیویورک انجام دهید، حتی اگر نتیجه‌ی اندازه‌گیری از قبل مشخص نباشد، نتیجه‌‌ی یکسانی بدست خواهد آمد. بنابراین، با توجه به ویژگی اول درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌توانید بطور شهودی فکر کنید که اینترنت کوانتومی برای اعمالی که نیاز به هماهنگی دارند، بسیار مفید است.

اکنون ممکن است با دانستن ویژگی هماهنگی حداکثری کیوبیت‌ها بگویید «خب، با وجود چنین ویژگی شگفت‌انگیزی، بسیار عالی نمی‌شود اگر همین ویژگی درهم‌تنیدگی، میان صدها نفر از مردم به اشترک گذاشته شود؟» اما این امر واقعا امکان‌پذیر نیست. بنابراین دومین ویژگی درهم‌تنیدگی کوانتومی، خصوصی بودن ذاتی است. اگر کیوبیت من در هلند، با کیوبیت شما که در نیویورک است، درهم‌تنیده شود، ما نتیجه می‌گیریم که هیچ چیز دیگری نمی‌تواند هیچ اشتراکی با این درهم‌تنیدگی شکل گرفته بین این دو کیوبیت داشته باشد. به این دلیل، ارتباطات کوانتومی برای مسائلی که به امنیت نیاز دارند، بسیار مناسب است.

بعنوان یکی از ساده‌ترین کاربردهای ارتباطات کوانتومی، آیا توزیع کلید کوانتومی می‌تواند به زودی و در اوایل سال 2020 در شبکه‌ی کوانتومی شما وجود داشته باشد؟ موارد دیگری از کاربردهای پیشرفته‌ی اینترنت کوانتومی که بعدها امکان پذیر خواهند بود، چیست؟

انواع جدیدی از محاسبات از راه دور ممکن خواهد بود. فرض کنید که ماده خاصی را طراحی کرده‌اید و می‌خواهید خواص آن را در یک شبیه‌سازی بررسی کنید. یک کامپیوتر کوانتومی قطعا از نمونه‌ی کلاسیکی خود در انجام اینکار بهتر خواهد بود. اما باید بدانید شاید همه به آن زودی که به نظر می‌رسد، یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ در اتاقشان نداشته باشند و ممکن است این امر، حتی در زمان حیات ما نیز ممکن نشود. یک راه‌حل برای انجام اینکار این است که شما طرح ماده‌ي خود را برای من ارسال کنید و من آن شبیه‌سازی را روی کامپیوتر کوانتومی خودم، برای شما انجام داده و نتایج را در اختیار شما قرار دهم. این خیلی خوب است؛ اما در اینصورت من طرح ماده‌ی شما را خواهم دانست. بنابراین، کاری که اینترنت کوانتومی می‌تواند برای شما انجام دهد، این است که می‌توانید از یک دستگاه کوانتومی بسیار ساده استفاده کنید. شبکه کوانتومی می‌تواند کیوبیت‌هایی را از دستگاه شما به کامپیوتر کوانتومی قدرتمندی که نزد من است، منتقل کند و شما می‌توانید از این کامپیوتر کوانتومی قدرتمند، به گونه‌ای استفاده کنید که ضمن اینکه شبیه‌سازی ماده‌ی شما را انجام می‌دهد، متوجه طرح ماده‌ی شما نشود و به این ترتیب، امنیت ارتباطات بطور کامل حفظ شود.

بعنوان مثالی دیگر، محققان نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی موجب می‌شود که همگام‌سازی ساعت بین دو مکان متفاوت، با دقت بیشتری انجام شود که این ویژگی، کاربردهای فراوانی خواهد داشت. همچنین یک اینترنت کوانتومی می‌تواند با ترکیب تلسکوپ‌های دور از هم، برای ساختن یک تلسکوپ بهتر استفاده شود. حالت ذرات نوری که به تلسکوپ یک می‌رسند، به تلسکوپ شماره‌ی دو ترابرد (teleportation) می‌شوند. سپس، حالت‌های ترابرد شده، با نور تلسکوپ شماره‌ی دو ترکیب می‌شوند.

 شما بر روی شبیه‌سازی اینترنت کوانتومی آینده نیز کار می‌کنید. انجام این کار چه ضرورتی دارد؟

با استفاده از بستر شبیه‌سازی گسترده‌ای که اخیرا ساخته‌ایم و هم اکنون بر روی یک ابرکامپیوتر اجرا می‌شود، می‌توانیم پیکربندی‌های متفاوت شبکه‌ی کوانتومی را بررسی کنیم و درکی از ویژگی‌های شبکه‌ی طراحی شده بدست آوریم که پیش‌بینی آن‌ها، بصورت تحلیلی کار بسیار دشواری است. ما امیدواریم که بتوانیم از این طریق، به یک طرح مقیاس‌پذیر دست یابیم که بتواند ارتباطات کوانتومی را در سرتاسر قاره‌ی اروپا محقق سازد.

ویژگی غیرقابل پیش‌بینی بودن شبکه، چیزی است که همیشه مرا متحیر کرده است. کامپیوترها واقعا جذاب هستند، اما چیزی که همواره توجه مرا به خود جلب کرده است، ارسال اطلاعات از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر است. به این دلیل روزی من به هکری روی آوردم و به اینترنت کلاسیک و دستیابی به آن علاقه‌مند شدم. اساسا، کنترل داشتن بر روی چیزی که در اینترنت اتفاق می‌افتد، کار بسیار دشواری است و آن هم به دلیل وجود تعداد زیاد اشیای ناشناخته است. برای مثال، اگر شما قصد ارسال پیامی داشته باشید، نمی‌توانید بطور دقیق پیش‌بینی کنید که ارسال آن چقدر طول می‌کشد. امکان دارد پیام شما از بین برود. ممکن است یک کامپیوتر دچار مشکل شود، بسیار کُند عمل کند یا اینکه داده را خراب کند. ممکن است کامپیوتر مورد نظر به دلیل قدیمی بودن، جدید یا متوسط بودن پروتکلش، پروتکل داده را به طرز غیر قابل انتظاری تغییر داده باشد که شکل استاندارد داده را به هم بریزد و داده از بین برود.

چرا تصمیم گرفتید که هک کردن را رها کنید و یک دانشمند شوید؟

می‌دانم که هک کردن بسیار هیجان انگیز به نظر می‌رسد، اما من اینکار را برای مدتی انجام داده بودم. البته می‌توان روش‌های هک کردن را بهبود بخشید، ولی خب نهایت کاری که انجام می‌شود، فقط کمی با نمونه‌های قبلی متفاوت است. من از اینکار خسته شدم و تصمیم گرفتم ماجراجویی‌های جدیدی کنم. سپس نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی را کشف کردم که برای من بسیار شگفت‌انگیز بود.

قضیه‌ای که شما برای اثبات آن در زمینه‌ی اطلاعات کوانتومی اقدام کردید، قضیه ذخیره نویزی بود. ذخیره نویزی چیست و پیامدهای آن برای ارتباطات کوانتومی چیست؟

ذخیره نویزی (noisy storage) در مورد رمزنگاری همراه با یک فرض فیزیکی است. در دنیای کلاسیک، اغلب یک فرض محاسباتی می‌کنید؛ مثلا فرض می‌کنید که تشخیص عوامل اول یک عدد بزرگ (فاکتورگیری) کار دشواری است. اگر این فرضیه‌ی شما درست باشد، پس پروتکل من امن است. این اثبات‌های امنیتی خوب هستند و همه جا پیدا می‌شوند، اما باید بدانید ممکن است روزی اعتبار خود را از دست بدهند. اگر در هر زمانی از آینده، کسی فرایند هوشمندانه‌ای اختراع کند که مسئله‌ی محاسباتی را حل کند که امنیت شما بر پایه‌ی آن مسئله است، امنیت می‌تواند بصورت بازگشتی شکسته شود. برای نمونه، وقتی کامپیوترهای کوانتومی داشته باشیم، آن‌ها قادر خواهند بود اعداد بزرگ را فاکتورگیری کنند و در نتیجه، امنیت مبتنی بر فاکتورگیری شکسته خواهد شد و دیگر معتبر نخواهد بود. در نتیجه اگر کسی امروز پیام سِری شما را ضبط کند، می‌تواند بعدها که این مسائل حل شدند، آن را رمزگشایی کند.

ذخیره نویزی نیز راجع به این مسئله بود که آیا می‌توانیم یک فرض فیزیکی کنیم که بصورت بازگشتی قابل شکستن نباشد؟ فرض فیزیکی این است که ذخیره‌ی تعداد زیادی حالت کوانتومی بدون نویز که تنها باید در یک چارچوب زمانی کوتاه صحیح باشند، کار دشواری است. اگر من فرض کنم که شما همین الان می‌توانید تنها تا یک میلیون کیوبیت نویزی ذخیره کنید، پس می‌توانم پارامترهای پروتکل خود را با هدف افزایش سطح امنیت آن، با ارسال اطلاعات بیشتر از آن یک میلیون کیوبیت نویزی که می‌توانند به دام بیفتند، تغییر دهم. این خیلی خوب است، زیرا اگر شما فردا یک حافظه‌ی کوانتومی بخرید که دو میلیون کیوبیت دارد، بسیار دیر شده، چرا که در آن لحظه، اطلاعات بصورت امن ارسال شده‌اند. این قابلیت به ما امکان می‌دهد تمام پروتکل‌ها را در ارتباطات کوانتومی پیاده‌سازی کنیم.

آیا هدف اینترنت کوانتومی چیزی شبیه به تقویت بینش‌های بنیادی در مورد قوانین طبیعت است؟

برخی مواقع در علوم، قضاوت‌هایی وجود دارد که برخی سوالات بنیادی و برخی دیگر غیربنیادی هستند. من فکر می‌کنم که آوردن چیزی به دنیای حقیقی که مردم می‌توانند واقعا از آن استفاده کنند، به هیچ وجه غیربنیادی نیست. انجام چنین کاری بسیار دشوار است. بعنوان مثال، از گفتن اینکه «من این ایده‌ی بسیار عالی را دارم، بیایید راجع به آن روی تخته بحث کنیم» تا دستگاه تلفن همراهی که من اکنون از آن برای مکالمه استفاده می‌کنم، جهش بسیار بزرگی وجود دارد. ما با استفاده از اینترنت کوانتومی سعی می‌کنیم اینکار را از ابتدا انجام ‌دهیم؛ از صفر. از یک آزمایش ابتدایی در آزمایشگاه تا شبکه‌ای که سعی می‌کنیم در هلند آن را راه‌اندازی کنیم، تا چیزی خارج از آزمایشگاه که در طول فواصل نیز کار می‌کند و می‌تواند مورد استفاده انسان‌ها واقع شود، انسان‌ها  بتوانند با آن کار کنند و برای کار کردن با آن، نیازی به دانستن فیزیک نداشته باشند. اگر قسمتی از آن سیستم در حال حاضر وجود داشته باشد، می‌توانیم بگوییم که «ما اکنون در حال بهبود آن هستیم.» اما قدم بین صفر و اولین نسخه از آن شبکه، یک گام بسیار بلند است.

من تصور می‌کنم که در انجام این کار، ما به یک درک بنیادی‌تر در چند عرصه خواهیم رسید. ما با تحقق این شبکه‌ی کوانتومی، چیزهای بیشتری راجع به فیزیک خواهیم آموخت، چرا که هم اکنون نمی‌دانیم این کار را دقیقا چگونه انجام دهیم. ما همچنان انواع مختلفی از گره‌ها و تکرارکننده‌ها و دستگاه‌های کوانتومی را که به درهم‌تنیدگی کوانتومی در بردهای بلند مربوط‌اند، آزمایش می‌کنیم. در حوزه‌ی علوم کامپیوتر، به دلیل تفاوت‌های بنیادی با ارتباطات کلاسیک، روش کاملا جدید برای برنامه‌نویسی و کنترل چنین شبکه‌هایی خواهیم آموخت.

من به این قضیه نیز فکر می‌کنم که با استفاده از چنین شبکه‌هایی، اطلاعات بیشتری راجع به خلاقیت و علوم اجتماعی بدست خواهیم آورد؛ مثلا اینکه مردم چگونه از این شبکه‌ها استفاده خواهند کرد. اما اگر شما به اینترنت کلاسیکی نگاه کنید، می‌بینید که انسان‌ها در ابتدا تصور می‌کردند که ما از آن برای ارسال برخی فایل‌ها به سایر نقاط استفاده خواهیم کرد، اما مشاهده می‌کنیم که مردم خلاق‌تر شده‌اند.

بیان کردن یک سیر زمانی برای تمام این کارهایی که گفتید، مشکل به نظر می رسد، اما آیا امیدوارید چیزی را که بتوان حقیقتا اینترنت کوانتومی نامید، در طول حیات خود خواهید دید؟

بله، من خوشبینم.


منبع: quantamagazine
كلمات كليدي :
اینترنت کوانتومی , ارتباطات کوانتومی , درهم تنیدگی کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر