8 دقیقه
در یک نقطه عطف غیرمنتظره برای ارتباطات کوانتومی، تیمی از محققان در ایالات متحده با موفقیت وضعیت کوانتومی نور را از طریق بیش از 30 کیلومتر کابل فیبر نوری فعال که حامل ترافیک واقعی اینترنت بود، تله‌پورت کردند. این آزمایش نشان میدهد که سیگنال‌های حساس کوانتومی می‌توانند در برابر نویز و تداخل‌های موجود در زیرساخت‌های مخابراتی فعلی دوام بیاورند — گامی حیاتی در جهت اینترنت کوانتومی عملی، الگوریتم‌های رمزنگاری قوی‌تر و فناوری‌های جدید حسگری و اندازه‌گیری.
چطور تلپورت روی شبکه شلوغ کار کرد
تلپورت کوانتومی شبیه داستان‌های علمی-تخیلی به نظر می‌رسد: انتقال دقیق وضعیت کوانتومی یک ذره در یک مکان به ذره‌ای دیگر در مکانی دیگر، بدون انتقال فیزیکی خود ذره. در عمل، تلپورت وضعیت احتمالاتی یک فوتون را با درهمتنیدگی دو ذره و انجام اندازهگیریهای هماهنگ روی آن‌ها از یک فوتون به فوتونی دیگر منتقل میکند. آن اندازه‌گیری‌ها وضعیت اصلی را فرو می‌ریزند و با ارسال اطلاعات کلاسیکی مناسب، دریافت‌کننده میتواند همان وضعیت را بازسازی کند.
اما فرستادن یک فوتون کوانتومی تنها از دل فیبری که از قبل با داده‌های کلاسیک پر شده، بسیار دشوار است. حرکت حرارتی، امواج الکترومغناطیسی پراکنده و پراکندگی نور همگی دست به دست هم می‌دهند تا اطلاعات ظریف کوانتومی را در فرآیندی به نام دکوهرنس از بین ببرند. تیم تحقیقاتی موفق شد این چالشها را پشت سر بگذارد در حالی که فیبر حدوداً 400 گیگابیت بر ثانیه ترافیک اینترنت را حمل می‌کرد — تراکنش‌های بانکی، ویدئوی استریمینگ و پیام‌های متنی که در کنار کانال کوانتومی عبور می‌کردند.
فیبرهای نوری برای انتقال ارتباطات اینترنتی استفاده می‌شوند. (alphaspirit it/Canva)
به‌جای احداث خطوط اختصاصی کوانتومی، محققان کانال کوانتومی را روی طول موج‌ها و شکاف‌های زمانی‌ای تنظیم کردند که کمترین پراکندگی و کراستاک را با جریانهای کلاسیک دارند. با بررسی دقیق نحوه پراکندگی نور در کابل و جای‌گذاری فوتون‌ها در یک «نقطه مناسب» در طیف، آن‌ها ریسک اختلاط سیگنال کوانتومی با ترافیک عادی اینترنت را کاهش دادند. نتیجه این شد: تلپورت موفق وضعیت کوانتومی در بیش از 30 کیلومتر فیبر زنده و فعال.
«این یک پیشرفت فوق‌العاده است چون کمتر کسی فکر می‌کرد ممکن باشد»، گفت Prem Kumar، مهندس محاسبات در دانشگاه Northwestern و سرپرست این مطالعه. «کار ما مسیر روشنی را برای شبکههای ترکیبی نسل آینده — هم کوانتومی و هم کلاسیک — که زیرساخت فیبر نوری واحدی را به اشتراک می‌گذارند، نشان میدهد.»
چرا این مهم است: اینترنت کوانتومی بدون ساختن بزرگراه‌های جدید
نمایش‌های آزمایشگاهی قبلی سیگنال‌های کوانتومی را در کنار داده‌های کلاسیکی شبیه‌سازی‌شده ارسال کردند یا از فیبرهای تخصصی استفاده نمودند. تیم Kumar، تا جایی که خود می‌گویند، نخستین گروهی است که وضعیت کوانتومی را در حالی تله‌پورت کرده که ترافیک واقعی اینترنت از همان کابل عبور می‌کرد. این یافته نشان میدهد ممکن است نیازی به بازسازی شبکههای جهانی برای افزودن قابلیت کوانتومی نباشد — اگر طول موج‌ها، پروتکلها و پارامترهای زمانی به دقت انتخاب شوند، می‌توانیم روی همان زیرساخت فیزیکی coexist کنیم.
پیوندهای کوانتومی عملی می‌توانند چندین پیشرفت مهم را آزاد کنند:
- توزیع کلید کوانتومی (QKD) امن که در برابر حملات آینده کامپیوترهای کوانتومی مقاوم است.
- محاسبات کوانتومی توزیع‌شده، جایی که پردازشگرهای جداشده جغرافیایی وضعیت‌های درهم‌تنیده را به اشتراک می‌گذارند.
- حسگری و متروژی تقویت‌شده که با استفاده از درهمتنیدگی فراتر از محدودیت‌های کلاسیک می‌رود.
«تلپورت کوانتومی توانایی فراهم آوردن اتصال کوانتومی امن بین گره‌های جغرافیایی دور را دارد»، افزود Kumar. «اما بسیاری تصور می‌کردند کسی زیرساخت تخصصی برای ارسال ذرات نور نمی‌سازد. اگر طول موج‌ها را درست انتخاب کنیم، نیازی به ساخت زیرساخت جدید نداریم. ارتباطات کلاسیک و کوانتومی می‌توانند همزیستی داشته باشند.»
برش فنی: درهمتنیدگی، فوتون‌ها و کنترل نویز
این آزمایش وضعیت کوانتومی یک میدان نوری — عملاً وضعیت یک فوتون منفرد — را تله‌پورت کرد، نه اشیای ماکروسکوپی. درهمتنیدگی هویت‌های کوانتومی مرتبطی بین فرستنده و گیرنده برقرار ساخت. یک اندازه‌گیری مشترک در فرستنده وضعیت اصلی را نابود کرد و اطلاعات کلاسیکی را منتقل نمود که دریافت‌کننده را قادر ساخت همان وضعیت را روی فوتون جفتشده بازسازی کند.
عوامل کلیدی موفقیت شامل اقداماتی بودند که تعیین می‌کردند فوتون‌های کوانتومی در چه مکان و چه زمان می‌توانند با ترافیک کلاسیک تعامل داشته باشند: انتخاب هوشمند طول موج، گیت زمانی (temporal gating)، و کنترل دقیق اثرات پراکندگی. این تصمیم‌های مهندسی دکوهرنس را برای مدت کافی کاهش دادند تا تلپورت انجام شود، حتی در مواجهه با سیلی از داده‌های پس‌زمینه.
برای افزایش احتمال بقا و تشخیص سیگنال کوانتومی، تیم از تکنیک‌های کالیبراسیون طیفی و تایمینگ استفاده کرد؛ از جمله آنالیز پاسخ طیفی کابل، اندازه‌گیری نرخ جهش فوتون (photon-counting) و همگام‌سازی دقیق میان مولد درهمتنیدگی و آشکارسازها. همچنین الگوریتم‌های تفکیک سیگنال از نویز و فیلترهای دیجیتال برای جداسازی هرچه بهتر فوتون‌های کوانتومی از ترافیک کلاسیک به کار رفتند. این ترکیب سخت‌افزار و نرم‌افزار باعث شد تلپورت در شرایط عملی و پر نویز نیز قابل تکرار باشد.
تیم نتایج خود را در مجله Optica منتشر کرد و این کار روندی قابل تکرار برای ادغام کانالهای کوانتومی در مهره‌های مرکزی اینترنت فعلی (internet backbone) را برجسته ساخت. برای درک سریع‌تر یافته‌ها می‌توانید ویدئوی توضیحی آن‌ها را تماشا کنید که خلاصه‌ای از روش‌ها و نتایج را ارائه میدهد.
پیامدها و گامهای بعدی برای شبکههای کوانتومی
هرچند این نمایش اجازهٔ «بی‌نقل شدن» اشیای فیزیکی را نمی‌دهد، اما نشان میدهد وضعیت کوانتومی مورد نیاز برای لینک‌های امن و وظایف کوانتومی توزیع‌شده میتواند در کنار ترافیک روزمره اینترنت حرکت کند. کارهای آینده شامل افزایش مسافت‌ها، بهبود نرخ خطا، و یکپارچه‌سازی تکرارگرهای کوانتومی (quantum repeaters) خواهد بود که درهمتنیدگی را روی فواصل طولانی‌تر گسترش می‌دهند. مهندسان همچنین روشهای چندگانگی (multiplexing) را پالایش خواهند کرد تا کانالهای متعدد کوانتومی بتوانند بدون تداخل متقابل فیبرها را به اشتراک بگذارند.
در چشم‌انداز بلندمدت، این پیشرفت‌ها میتواند به شبکههای ترکیبی کلاسیک-کوانتومی منجر شود، جایی که داده، کلیدها و منابع کوانتومی به صورت همزمان انتقال می‌یابند. چنین زیرساختی پذیرش خدمات تقویت‌شده توسط کوانتوم را در دنیای واقعی تسریع میکند بدون نیاز به جایگزینی پرهزینهٔ زیرساخت‌ها.
اگرچه چالشهای عملیاتی هنوز باقی است — مانند توسعه پروتکل‌های مقاوم در برابر خطا، استانداردسازی طول موج‌ها و مدیریت همزمان چندین کانال کوانتومی — دستاورد اخیر نشان میدهد مسیر فنی و اقتصادی برای حرکت به سمت اینترنت کوانتومی واقع‌گرایانه‌تر از آن چیزی است که پیش‌تر تصور می‌شد. تحقیقات آینده باید روی کاربردپذیری در سطح شبکه، مقیاس‌پذیری اقتصادی و سازگاری با اپراتورهای مخابراتی متمرکز بمانند.
دیدگاه کارشناسان
«این آزمایش یک پل واقع‌گرایانه بین فیزیک بنیادی کوانتومی و واقعیت پرتنش شبکههای تجاری است»، می‌گوید دکتر Lena Ortiz، مهندس ارتباطات کوانتومی (نمونه فرضی) با تجربه در استقرار فیبر نوری. «با اثبات همزیستی با ترافیک کلاسیک با نرخ‌های بالا، حوزهٔ تحقیق میتواند از تست‌های مجزای آزمایشگاهی به پیاده‌سازی‌های پایلوت بر روی شبکههای شهری و ملی منتقل شود. چالش بعدی، تصحیح خطای قوی و پروتکل‌های عملیاتی‌ای است که در مقیاس وسیع کارایی داشته باشند.»
علاوه بر موارد فنی، جنبه‌های اقتصادی و تنظیماتی نیز اهمیت دارند: استانداردها برای هم‌پذیری کانالهای کوانتومی روی فیبرهای موجود، توافقات اپراتورهای مخابراتی برای تخصیص باندهای مشخص به ترافیک کوانتومی و مدلهای کسب‌وکاری که اجازه سرمایه‌گذاری در تجهیزات آشکارسازی و تولید درهمتنیدگی را می‌دهند. موفقیت تجاری نیازمند همکاری نزدیک میان دانشگاه‌ها، مراکز تحقیق و توسعه صنعتی و نهادهای قانونگذار است تا راهکارهای قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه عرضه شوند.
در مجموع، این پیشرفت نه تنها گامی علمی بلکه نشانه‌ای از بالغ‌تر شدن فناوری‌های ارتباطات کوانتومی است؛ فناوری‌ای که میتواند امنیت اطلاعات، محاسبات توزیع‌شده و ابزارهای حسگری را در مقیاسی گسترده متحول کند.
منبع: sciencealert
نظرات
تریپمایند
اگه این درست باشه، میشه تو سفرای کاری از ارتباطات امن کوانتومی استفاده کرد؟ فکرشو بکن :)
تربومک
خوبه اما یه ذره اغراق به نظر میاد، تا وقتی رپیترها و استانداردا حل نشن، هنوز کلی کار مونده
کوینپایلوت
واقعاً؟! آیا این آزمایش در مقیاس شهری قابل تکراره یا صرفا تو آزمایشگاه؟ خیلی شک دارم...
اتمویو
وووای، حقیقتا انتظار نداشتم! اینکه بتونن وضعیت کوانتومی رو تو یه فیبر پر از ترافیک زنده بفرستن، محشره. حالا هزینه و مقیاس چی میشه؟
ارسال نظر