7 دقیقه
مقدمه
هفته گذشته یک مشکل دیرینه در فیزیک کوانتومی که دههها دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، گامی قاطع به سوی حل شدن برداشت: درهمتنیدگی به اندازهای پایدار ماند که بتواند بیش از ۱۰۰ کیلومتر از طریق یک پیوند مجهز به تکرارگر منتقل شود.
پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری چین (USTC)، به سرپرستی جیانوی پن و با مشارکت کلیدی چیانگ ژانگ و شیاهوی باو، گزارش آزمایشهایی را منتشر کردند که حافظههای کوانتومی با عمر طولانی را با روشهای «تعویض درهمتنیدگی» ترکیب میکند تا پیوندهایی از نوع حافظه–حافظه بین گرههای دور افتاده ایجاد کند. این کار که در مجلات معتبر انتشار یافته، برای نخستین بار توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه (DI-QKD) را فراتر از علامت ۱۰۰ کیلومتر پیش برد.
چرا این پیشرفت اهمیت دارد
علت اهمیت این دستاورد ساده است: فوتونها در فیبر تضعیف میشوند. اتلاف (loss) در فیبر، درهمتنیدگی را از بین میبَرد. بدون راهی برای «متوقف کردن» موقت و «دوختن» حالتهای کوانتومی به هم، لینکهای امن کوانتومی پس از چند کیلومتر از کار میافتند. تکرارگرهای کوانتومی راهحل این مشکلاند: آنها اطلاعات کوانتومی را در حافظههای محلی ذخیره میکنند و سپس با استفاده از تعویض درهمتنیدگی، قطعات را به هم متصل میکنند تا همبستگیهای شکننده بتوانند در فواصل بسیار طولانیتر امتداد یابند.
خلاصهٔ دستاورد آزمایش USTC
آنچه تیم USTC محقق کرد، تنها افزایش طول لینک نبود؛ بلکه گامی عملی به سمت معماریهای تکرارگر مقیاسپذیر بود. آنها درهمتنیدگی اتم–اتم با وفاداری بالا تولید کردند که طول عمرش کافی بود تا عملیات بین-بخش مورد نیاز شبکههای دنیای واقعی تکمیل شود. این بافر زمانی حیاتی است؛ زیرا یک کنجکاوی آزمایشگاهی را از یک مؤلفهٔ قابل استفاده در زنجیرهٔ چندگرهای جدا میکند.
این پیشرفت باعث شد DI-QKD یا توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه در فاصلهای رکوردشکن عمل کند. DI-QKD استاندارد طلایی امنیت رمزنگاری است چون بر پایهٔ اعتماد به درون دستگاهها نیست. گسترش DI-QKD فراتر از ۱۰۰ کیلومتر، هم نشاندهندهٔ دوام و هم نشاندهندهٔ آمادگی برای استقرار در شبکههای شهری و منطقهای است.
مسیر فنیِ آزمایش
ترکیب رابطهای نوری و حافظههای اتمی
از منظر فنی، تیم رابطهای اپتیکی را با حافظههای اتمی ترکیب کرد و تبادل درهمتنیدگی را بین بخشها همزمانسازی نمود. درهمتنیدگی حافظه–حافظه در بازههای زمانیای نگهداری شد که از تأخیرهای ارتباطی و کنترلی فراتر بود و اجازهٔ تعویض قابلاطمینان درهمتنیدگی را میداد. به زبان سادهتر: آنها برای حالتهای کوانتومی زمان خریدند تا بتوان آنها را منتقل کرد، نه این که از بین بروند.
تعویض درهمتنیدگی و نقش آن در تکرارگرها
تعویض درهمتنیدگی (entanglement swapping) روشی است که در آن دو جفت درهمتنیده در دو بخش مجزا از شبکه بهگونهای اندازهگیری و ترکیب میشوند که در نهایت گرههای دور افتاده بهصورت مستقیم درهمتنیده میشوند. این فرایند، ستون فقرات معماری تکرارگرهای کوانتومی است و در صورتی که حافظههای محلی بتوانند حالتها را تا زمان تبادل نگه دارند، میتوان فواصل را چند برابر کرد.
اهمیت برای امنیت کوانتومی و DI-QKD
DI-QKD این مزیت را دارد که امنیت عملیاتی آن مستقل از صحت عملکرد داخلی دستگاههاست؛ به عبارت دیگر، حتی اگر دستگاهها ناقص یا تولیدکنندگان قابلاعتماد نباشند، میتوان امنیت کریپتوگرافیک را تضمین کرد. تحقق DI-QKD روی فاصلهای بیش از ۱۰۰ کیلومتر نشان میدهد که استفاده از الگوریتمها و پروتکلهای مقاوم در شبکههای شهری و بینشهری اکنون محتملتر شدهاست.
زمینههای فنی و مفاهیم کلیدی
اتلاف نور در فیبر و محدودیتهای عملی
در فیبرهای نوری تجاری، اتلاف معمولاً روی طول موج مخابراتی (~1550 نانومتر) حدود 0.2 دسیبل بر کیلومتر است؛ هرچند بسته به کیفیت فیبر و شرایط ممکن است متفاوت باشد. این اتلاف به معنای کاهش قابلتوجه نرخ فوتونهای مفید با افزایش فاصله است و در نتیجه، نرخ خطای بالاتر و کاهش همبستگی کوانتومی را به دنبال دارد.
حافظهٔ کوانتومی: عمر، بازده و یکپارچگی
حافظههای کوانتومی باید چند خواص کلیدی داشته باشند: زمان نگهداری (coherence time) طولانی، بازده بالا در فراخوانی حالتها، و سازگاری با رابطهای نوری (برای تبدیل فوتونها به اَپِکسهای اتمی یا مادهای و برعکس). پیشرفت تیم USTC در افزایش زمان نگهداری و همخوانی با اینترفیسهای نوری، یک گام مهم به شمار میرود.
پیامدها و کاربردهای بلندمدت
این دستاورد چند پیامد مهم دارد:
- تسریع در پیادهسازی شبکههای کوانتومی شهری و منطقهای با امنیت بالا (اینترنت کوانتومی، شبکههای DI-QKD).
- پیشنیاز برای اتصال پردازندهها و حسگرهای کوانتومی از راه دور در سیستمهای توزیعشدهٔ محاسبات کوانتومی و حسگرهای کوانتومی دقیق.
- باز شدن راه برای توسعهٔ استانداردها، پروتکلها و لایههای تجاری که خدمات امن کوانتومی را برای کاربران روزمره ممکن میسازند.
موانع مهندسی و چالشهای پیش رو
هنوز قلههای مهندسی زیادی برای صعود باقی مانده است. مقیاسبندی از یک نشاندادن دوگرهای (two-node) به شبکههای چند-هاپ (multi-hop) نیازمند موارد زیر است:
- تصحیح خطای بهتر و الگوریتمهای تحمل خطای کوانتومی برای مقابله با خطاهای تجمعی در مسیرهای بلند.
- حافظههای کوانتومی با عمر طولانیتر و بازده بالاتر تا زمان لازم برای هماهنگی بین گرهها تأمین شود.
- سختافزار یکپارچه و عملیاتیشدهای که بتواند خارج از محیط کنترلشدهٔ آزمایشگاه کار کند—مثلاً در سایتهای شهری یا کابینتهای مخابراتی.
- هماهنگی استانداردها و پروتکلها بین تولیدکنندگان مختلف تا اجزای مختلف شبکه بهصورت بینپذیر کار کنند.
با وجود این موانع، نقاط عطفی مانند این تجربهٔ USTC بحثها را از «آیا امکانپذیر است؟» به «چگونه مهندسی کنیم؟» تغییر میدهد و به نقشهٔ راه مهندسی شکل میدهد.
رقابت جهانی و سرمایهگذاری در زیرساخت کوانتومی
این دستاورد دو روند بزرگتر را برجسته میسازد. نخست، چین همچنان به سرمایهگذاری سنگین در زیرساخت کوانتومی ادامه میدهد و زنجیرهای از موفقیتها را در لینکهای ماهوارهای، شبکههای شهری و اکنون اجزای تکرارگرها به دست آورده است. دوم، اینترنت کوانتومی بهصورت قطعهقطعه و با همگرایی پیوندهای امن، حسگری دقیق و پردازش توزیعشده در حال ساخت است؛ معماریای که در یک یا دو دههٔ آینده میتواند پردازشگرها و حسگرهای کوانتومی دورافتاده را با امنیت تضمینشده متصل کند.
پرسشهای باز و طراحی پروتکلها
وقتی اجزای پایهای قابلاطمینان شوند، بازی واقعی آغاز میشود: چه کسی پروتکلها، استانداردها و پشتههای تجاری را طراحی خواهد کرد که خدمات امن کوانتومی را برای کاربران عادی فراهم کنند؟ پاسخ به این سوال تنها رمزنگاری را شکل نمیدهد؛ بلکه نحوهٔ تفکر ما دربارهٔ محاسبات مشترک، حسگری و جریان اعتماد در اینترنت را نیز تعیین خواهد کرد.
نتیجهگیری و چشمانداز
اگر تکرارگرها با این سرعت بهبود یابند، دههٔ آینده ممکن است کمتر دربارهٔ اثبات اصول نظری و بیشتر دربارهٔ اتصال شهرها، آزمایشگاهها و صنایع با پیوندهای باکیفیت کوانتومی باشد. چالشهای فنی هنوز پابرجا هستند، اما با ترکیب حافظههای کوانتومی با عمر طولانی، تعویض درهمتنیدگی بهینه و مهندسی یکپارچه، مسیر روشنی برای توسعهٔ اینترنت کوانتومی و خدمات رمزنگاری مقاوم پدیدار شده است.
در نهایت، پیشرفتهای اخیر نشان میدهد که تبدیل پژوهشهای کوانتومی به سامانههای عملیاتی و قابلگسترش تنها مسألهٔ زمان، سرمایهگذاری هدفمند و همکاری بینالمللی و صنعتی است. این تحول میتواند همانند انقلاب اینترنت کلاسیک، شیوهٔ ارتباط، پردازش و اعتماد ما را متحول کند—البته با سطح امنیتی نوینی که فقط تکنیکهای کوانتومی قادر به فراهم آوردن آن هستند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر