7 دقیقه
انتقال سیگنال‌های کوانتومی روی فیبر نوری تجاری فعال
یک تیم مهندسی از دانشگاه پنسیلوانیا نشان داده است که اطلاعات کوانتومی میتواند همراه با ترافیک اینترنت معمولی روی زیرساخت فیبر نوری تجاری موجود منتقل شود. یک دستگاه مجتمع و جمع‌وجور که «Q-chip» نامیده میشود، سیگنال‌های کوانتومی و کلاسیک را هماهنگ کرده و آنها را با استفاده از روش‌های استاندارد پروتکل اینترنت (IP) در شبکه پردیس Verizon ارسال کرد.
تیمی از دانشگاه پن نشان داده است که سیگنال‌های کوانتومی می‌توانند کنار ترافیک روزمره اینترنت روی فیبر تجاری حرکت کنند. آزمایش «Q-chip» آنها گامی به سوی یک اینترنت کوانتومی مقیاس‌پذیر با پتانسیل تغییرات بنیادین است. اعتبار: Shutterstock
این آزمایش که در مجله Science منتشر شده است، نقطه عطفی در انتقال شبکههای کوانتومی از محیط‌های کنترل‌شده آزمایشگاهی به سیستم‌های مخابرات واقعی محسوب میشود. آزمایش‌ها نشان می‌دهد حالتهای حساس کوانتومی را میتوان بسته‌بندی، مسیردهی و اصلاح خطا کرد در حالی که با ترافیک معمولی فیبر مشترک هستند؛ قابلیتی ضروری برای ارتباطات کوانتومی در مقیاس وسیع و محاسبات کوانتومی توزیع‌شده در آینده.
چگونه Q-chip دادههای کلاسیک و کوانتومی را هماهنگ میکند
Q-chip (اینترنت هیبریدی کوانتومی-کلاسیک مبتنی بر فوتونیک) یک سیگنال «هدر» قابل اندازهگیری کلاسیک را با یک بار کوانتومی محافظتشده جفت میکند. هدر کلاسیک درست جلوی ذرات کوانتومی حرکت میکند و میتوان آن را با تجهیزات شبکه معمولی خواند. آن بسته قابل خواندن اطلاعات مسیریابی و وضعیت را فراهم میکند بدون اینکه هرگز با حالت کوانتومی تداخل کند.
«با قرار دادن یک هدر کلاسیک در صدر، می‌توانیم مسیردهی را تعیین کرده و برای اختلالات کانال تصحیح انجام دهیم در حالی که اطلاعات کوانتومی بدون اندازهگیری باقی می‌ماند،» لیانگ فنگ، استاد علوم مواد و مهندسی و مهندسی برق و سامانه‌ها و هدایت‌کننده این مطالعه، توضیح داد. این ساختار امکان استفاده از آدرس‌دهی به سبک IP، سوئیچینگ پویا و چارچوب‌های مدیریت شبکه آشنا را برای انتقال دادههای کوانتومی در شبکههای فیبر موجود فراهم می‌آورد.
ییچی ژانگ، دانشجوی دکتری در علوم مواد و مهندسی، منبع سیگنال کوانتومی را بررسی میکند. اعتبار: Sylvia Zhang
تمثیل: لوکوموتیو و بارهای بسته‌بندی‌شده
میتوان سیگنال کلاسیک را همچون یک لکوموتیو و اطلاعات کوانتومی را مانند بارهای در کانتینرهای مهروموم‌شده تصور کرد. موتور (هدر) را میتوان بازرسی، هدایت مجدد و اصلاح کرد بدون اینکه کانتینرها باز شوند — الگویی مفید برای حفظ درهمتنیدگی و خواص کوانتومی دیگری که با اندازهگیری نابود می‌شوند.
سازگار کردن انتقال کوانتومی با شبکههای واقعی
فیبر در دنیای واقعی با نوسانات دما، ارتعاشات و تغییرات محیطی دیگری مواجه است که در شرایط آزمایشی وجود ندارند. اندازهگیری هدر کلاسیک امکان استنتاج آنی از نحوه تأثیر این اختلالات بر بار کوانتومی را فراهم میکند؛ سپس عملیات تصحیحی میتواند بدون اندازهگیری مستقیم ذرات کوانتومی روی تراشه اعمال شود.
بخشی از تجهیزات مورد استفاده برای ایجاد یک گره از شبکه کوانتومی، تقریباً یک کیلومتر فاصله از منبع روی کابل فیبر نوری تجاری Verizon. اعتبار: Sylvia Zhang
در آزمایشهای میدانی روی حدود یک کیلومتر از فیبر پردیس Verizon، سیستم به وفاداری انتقال بالای 97٪ دست یافت که نشان‌دهنده حفظ مقاوم حالتهای کوانتومی علی‌رغم محیط نویزی است. Q-chip با استفاده از فرایندهای شناخته‌شده در سیلیکون ساخته میشود، بدین معنی که میتوان آن را به صورت انبوه تولید و با سخت‌افزار مخابراتی فعلی یکپارچه کرد تا شبکههای کوانتومی منطقه مترو را مقیاس‌پذیر سازد.
ییچی ژانگ، دانشجوی دکتری در علوم مواد و مهندسی، همراه با تجهیزاتی که برای تولید و ارسال سیگنال کوانتومی از طریق کابل‌های فیبر نوری Verizon استفاده شد. اعتبار: Sylvia Zhang
زمینه علمی و چالشهای فنی
ارتباطات کوانتومی بر درهمتنیدگی متکی است، همبستگی غیرکلاسیکی که در آن اندازهگیری یک ذره بلافاصله شریک آن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. درحالی که درهمتنیدگی امکان ارتباطات امن و محاسبات کوانتومی توزیع‌شده را فراهم میکند، بسیار حساس است: اندازهگیری مستقیم حالت کوانتومی را فرو می‌ریزد، بنابراین بازرسی سنتی سیگنال نمی‌تواند برای مسیریابی یا تقویت اطلاعات کوانتومی به کار رود.
رابرت بربرگ، دانشجوی دکتری در مهندسی برق و سامانه‌ها و یکی از نویسندگان مقاله، اشاره کرد که این قید اندازهگیری مشکل اصلی در مقیاس‌بندی شبکههای کوانتومی است: «شبکههای سنتی از اندازهگیری برای هدایت داده‌ها استفاده می‌کنند؛ شبکههای کوانتومی باید از اندازهگیری بار کوانتومی جلوگیری کنند در حالی که هنوز از مسیریابی و کاهش خطا پشتیبانی می‌کنند.» Q-chip این مشکل را با جدا کردن هدر کلاسیک قابل خواندن از بار کوانتومی غیرقابل خواندن حل میکند.
یک گره از شبکه کوانتومی، تقریباً یک کیلومتر فاصله کابل فیبر نوری Verizon از منبع سیگنال کوانتومی. اعتبار: Sylvia Zhang
محدودیت‌ها و مسیر پیش رو
یکی از موانع بزرگ باقی‌مانده تقویت در فواصل طولانی است. برخلاف سیگنال‌های کلاسیک، حالتهای کوانتومی معمولاً بدون نابودی درهمتنیدگی قابل تقویت نیستند. تکرارگرهای کوانتومی و تقویتکنندههای نوآورانه برای گسترش شبکه‌ها فراتر از مقیاس شهری لازم خواهند بود. رویکردهای فعلی توزیع کلید کوانتومی (QKD) می‌توانند برای کلیدهای امن فواصل طولانی را طی کنند اما هنوز از پیوند بین پردازنده‌های کوانتومی برای محاسبات توزیع‌شده پشتیبانی نمی‌کنند.
از چپ: لیانگ فنگ، استاد علوم مواد و مهندسی، و رابرت بربرگ، دانشجوی دکتری در مهندسی برق و سامانه‌ها. سیم‌های پشت سر آنها شامل یک کابل فیبر نوری Verizon است که سیگنال کوانتومی را منتقل کرد. اعتبار: Sylvia Zhang
با وجود این موانع فنی، نشان‌دادن توانایی به‌کارگیری ترافیک کوانتومی با پروتکل‌های آشنا و زیرساخت فیزیکی موجود توسط تیم پن امکان استقرار تدریجی و آزمایش در اکوسیستم‌های مخابراتی فعلی را فراهم می‌آورد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر ماریا آلوارز، پژوهشگر ارشد در ارتباطات کوانتومی (نمونه‌ای فرضی اما نماینده)، اظهار داشت: «ادغام سیگنال‌های کوانتومی در چارچوب‌های IP موجود یک گام حیاتی است. توانایی استنتاج اختلالات کانال از هدرهای کلاسیک و اعمال تصحیحات بدون فرو ریختن حالتهای کوانتومی، هم زیبا و هم عملی است. این رویکرد آزمایشهای کوتاه‌مدت در شبکههای شهری را تسریع می‌بخشد و به تمرکز پژوهش روی تکرارگرهای کوانتومی مقیاس‌پذیر برای لینک‌های بلندمدت کمک میکند.»
نتیجه‌گیری
آزمایش Q-chip نشان می‌دهد که اطلاعات کوانتومی میتواند همراه با ترافیک عادی اینترنت روی فیبر تجاری و با استفاده از پروتکل‌های استاندارد مسیریابی و محافظت شود. دستیابی به بیش از 97٪ وفاداری روی خطوط فعال مخابراتی سازگاری عملی با زیرساخت موجود را نشان می‌دهد و راه را برای استقرارهای مقیاس‌پذیر در مناطق شهری هموار می‌سازد. چالشهای باقی‌مانده شامل تقویت در فواصل طولانی و توسعه تکرارگرها است، اما جاسازی ترافیک کوانتومی در معماری مبتنی بر IP گامی تعیین‌کننده به سوی یک اینترنت کوانتومی کاربردی است که قادر به پیوند دادن رایانه‌های کوانتومی، فراهم کردن رمزنگاری نوین و پیشبرد هوش مصنوعی، کشف مواد و دیگر مرزهای علمی خواهد بود.
منبع: scitechdaily
نظرات