اینترنت کوانتومی چیست؟

به عقیده بسیاری از نظریه پردازان علوم پیشرفته و فیزیک، روزی از راه خواهد رسید که معنا و مفهوم تبادل داده و اطلاعات از مفهوم داده‌های امروزی فراتر رفته و به دنیای کوانتوم وارد می‌شود، روزگاری که مفهوم اینترنت کوانتومی برای آن عادی خواهد بود. بنابر اطلاعات منتشر شده، دولت آمریکا به مدت‌ها قبل پروژه‌ای را آغاز کرده که می‌تواند افق دید ما را به کلی دگرگون کرده و به معنای اصل کلمه، اینترنت را با ادغام شبکه های کوانتومی از نو دوباره اختراع کند.

شروع ماجرا؛ یک اصل مهم و البته مبهم فیزیکی

در فیزیک، کوانتوم به کمترین مقدار یا مقدار پایه از یک کمیت گفته می‌شود که می‌تواند در تعامل با هر واحد دیگری باشد. دانشمندان متوجه شده‌اند که واحدهای کوانتومی دارای خواص بسیار منحصر به فردی هستند که می‌تواند در رسیدن به ایده اینترنت کوانتومی مورد استفاده قرار بگیرند.

براساس درهم‌تنیدگی کوانتومی، در سامانه‌های مرکب با وضعیت‌هایی روبرو می‌شویم که در آن اجزای کل سامانه دارای هیچ ویژگی منحصر به فردی نیستند. در واقع در این سامانه‌ها تنها مجموعه کل است که می‌تواند دسته‌ای از ویژگی‌ها را به خود اختصاص دهد. به زبان ساده و به عنوان اولین مثال، درهم‌تنیدگی، جفت شدن خواص مکانیکی دو ذره است؛ ذراتی که پیشتر با یکدیگر در تقابل و اندرکنش بوده و سپس از یکدیگر جدا شده‌اند.

به صورت تئوری و طی سال‌های اخیر در دنیای واقعیت و عمل، دانشمندان موفق به اثبات این نظریات شده و توانستند درهم‌تنیدگی برای ذراتی همچون فوتون‌ها را ایجاد کنند؛ البته می‌توان گفت که این پدیده قابلیت تحقق در تقابل بین الکترون‌ها و حتی مولکول‌ها را نیز دارد.

این اندرکنش فیزیکی مربوط به خواصی نظیر مکان، تکانه، اسپین، قطبش و غیره است؛ به گونه‌ای که با تعیین هر یک از خواص برای یکی از دو ذره، همان خاصیت در دیگری تعیین می‌شود. به عبارت دیگر هر یک از ذرات جفت شده به خوبی توسط حالت کوانتومی مشابه توصیف می‌شوند.

انتقال داده با شبکه های کوانتومی

اگر به مفهوم بالا به صورت ساده نگاه کنیم تنها یک پدیده به ذهن متبادر می‌شود و آن «انتقال اطلاعات» به واسطه شبکه های کوانتومی است. در واقع این پدیده جالب می‌تواند پایه و اساس نوع جدیدی از ارتباطات را تشکیل دهد.

اینترنت کوانتومی می‌تواند امکان انتقال سریع داده‌ها به سراسر جهان را به شکل به مراتب ایمن‌تر و البته سریعتر فراهم کند. از این گذشته، اگر یک  مسیر ثالث (هکر) سعی کند در یک پیام مداخله کند، به راحتی شناسایی می‌شود.

اولین اقدام عملی و یک اتفاق امیدوارکننده

اواسط سال ۲۰۲0 محققان اتریشی با ثبت رکورد سفر ۵۰ کیلومتری نور و ماده به صورت درهم‌تنیده پایه و اساس تئوری اینترنت کوانتومی را بنا نهادند.

در واقع دنیای ظاهراً موهومی و باطناً واقعی مکانیک کوانتومی که خود ترکیبی از خیال و واقعیت است این پتانسیل را دارد که روزی یک اینترنت سریع‌تر و مطمئن‌تر ایجاد کند، نوع جدیدی از اینترنت که می‌توان آن را اینترنت کوانتومی توصیف کرد.

تلاش محققان اتریشی با ثبت رکورد فاصله جدیدی برای درهم‌تنیدگی کوانتومی بین ذرات نور و ماده به این سمت گام برداشته است. در این آزمایش‌ها، این گروه موفق شد تا یک فوتون درهم‌تنیده با یک یون در یک فیبر نوری را در کانالی به طول ۵۰ کیلومتر جابجا کند.

البته مدتی بعد وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا به صورت رسمی اعلام کرد که تصمیم دارد یک شبکه اینترنت کوانتومی را توسعه دهد. به بیان ساده این شبکه توانسته با استفاده از ذرات درهم‌تنیده مسیر ارتباطی آنی و ایمنی به وجود آورده و اطلاعات را از طریق شبکه فیبرهای نوری منتقل کند. این وزارت‌خانه در بیانیه‌ای طرح اولیه خود که به صورت پایه توسط محققان آزمایشگاه ملی Argon در شیکاگو ارائه شده را توضیح داده و قرار است طی 10 سال آن را به مرحله اجرا برساند.

این درحالی است که در بهمن 1398 محققان وزارت انرژی آمریکا در ایالت ایلینوی با همکاری دانشمندان دانشگاه شیکاگو در یک حلقه کوانتومی ۵۲ مایلی ذرات فوتون را در هم تنیده و موفق شدند یکی از طولانی‌ترین شبکه‌های کوانتوم محور در خاک آمریکا را توسعه داده و بسازند. در فاز جدید، وزرات انرژی آمریکا اعلام نموده که قصد دارد شبکه مذکور را طی برنامه کوتاه مدتی به یک بستر آزمایشی ۸۰ مایلی با ۳ گره تبدیل کند.

توسعه زمینه‌های فناوری دیگر رهاورد جانبی اینترنت کوانتومی

طبیعی است که رسیدن به این فناوری جدید نیازمند توسعه و ساخت فناوری‌های زمینه دیگری در حوزه مکانیک کوانتومی و تجهیزات عملگر بر مبنای آن خواهد بود. در این زمینه دکتر رابرت جی زیمر مدیریت دانشگاه شیکاگو در در مصاحبه‌ای اعلام نموده که این پژوهش در حقیقت حوزه جدیدی از مطالعات را به وجود می‌آورد که در کنار آن گروه‌های عملی تازه‌ای برای کاربردی‌سازی دانش ایجاد شده در حوزه کوانتوم ایجاد شوند و بتوانند مفاهیم تازه‌ای به فناوری‌های پیشرفته در این حوزه و کل زندگی بشر بخشند.

در نهایت باید به این موضوع اشاره کنیم که طبق اعلام وزارت انرژی آمریکا این پروژه فعلاً و حتی در فاز عملی اولیه نیز به استفاده عمومی نخواهد رسید و اولیت در نظر گرفته شده برای آن بیشتر در زمینه‌هایی مانند بهداشت عمومی، امنیت و عملیات های دولتی قرار می‌گیرد.

بازآفرینی اینترنت این بار در تفکری جدید

لازم به یادآوری است که اینترنت به معنا و مفهوم امروزی نیز برای اولین بار توسط وزارت دفاع دولت ایالت متحده توسعه داده و ساخته شده بود که بعدها با تجاری سازی و ارتقا توانست در اختیار عموم قرار بگیرد.

با این اوصاف شاید حداقل 20 تا 30 سال برای تحقق این رویا نیاز باشد که یک روز کل ارتباطات ما در سراسر کره زمین بدون هیچ تأخیری و به صورت آنی انجام شده و مفاهیم انتقال داده به صورت کلی تغییر کرده و حجم‌هایی تا چند ترابایتی نیز بدون کوچکترین تأخیر و در کسری از واحد زمان منتقل شوند.

پاسخ به سؤالات متداوم در مورد اینترنت و شبکه های کوانتومی:

در ادامه این مطلب به برخی سؤالات رایج در رابطه با اینترنت کوانتومی مانند سرعت، امنیت و تهدیدهای احتمالی خواهیم پرداخت.

آیا اینترنت کوانتومی امکان پذیر است؟

به بیان ساده اینترنت کوانتومی استفاده از ایده درهم‌تنیدگی کوانتومی برای تبادل داد در مقیاس وسیع است. این ایده محققان را بر این داشته تا نسل آینده اینترنت را بر اساس تفکرات سطح بالایی طراحی کنند تا بتواند مفهوم تبادل داده را دگرگون کند. رسیدن به این هدف چند دهه تحقیق توسعه و میلیاردها دلار سرمایه‌گذاری نیاز خواهد داشت.

سیستم اینترنت کوانتومی چیست؟

اینترنت کوانتومی اساساً یک پلتفرم یا بستر برای راه‌اندازی اکوسیستم کوانتومی خواهد بود، جایی که کامپیوترها، شبکه‌ها مستقل و حسگرها می‌توانند اطلاعات خود را به شکلی کاملاً جدید مبادله کرده که در آن حس، ارتباطات و محاسبات به معنای واقعی کلمه به‌عنوان یک نهاد در کنار یکدیگر کار می‌کنند.

اینترنت کوانتومی به‌جای بیت‌هایی که شبکه‌های امروزی استفاده می‌کنند (همان مقدار 0 و 1 در علوم کامپیوتر)، از کیوبیت اطلاعات استفاده خواهد کرد. quibit واحد اطلاعات یک کامپیوتر کوانتومی است که می‌تواند تعداد نامحدودی از مقادیر را به خود اختصاص دهد.

اینترنت کوانتومی خوب است یا بد؟

باید گفت که اینترنت کوانتومی جایگزین اینترنت معمولی که اکنون داریم، نخواهد شد. شبکه های کوانتومی مکمل اینترنت یا شاخه‌ای از آن خواهد بود. اینترنت کوانتومی می‌تواند برخی از مشکلاتی اساسی که اینترنت فعلی با آن مواجه است را به‌راحتی برطرف کند. به‌عنوان‌مثال، اینترنت کوانتومی سطح امنیت بسیاربالاتری در برابر مهاجمان و هکرها خواهد داشت.

بنابراین، با یک سطح جدید از اینترنت سروکار خواهیم داشت که مشکلات نسل قبل خود را برطرف می‌کند.

چقدر با اینترنت کوانتومی فاصله داریم؟

دانشمندان معتقدند که تحقیق دررابطه‌با شبکه های کوانتومی در مسیر درستی قرار گرفته است، با این حال برای رسیدن به یک محصول قابل مشاهده و استفاده، حداقل چند دهه زمان نیاز داریم.

آیا اینترنت کوانتومی را می توان هک کرد؟

طبق آنچه در این مطلب توضیح داده شد، اینترنت کوانتومی به دلیل ماهیت خود در برابر نفوذ و حملات سایبری آسیب‌پذیر نخواهد بود. در این فناوری به‌جای رمزگذاری پیام با استفاده از پیچیدگی ریاضی، ما به قوانین ناشناخته فیزیک کوانتومی وابسته هستیم.

بر همین اساس با اطمینان می‌توان گفت تا مدت‌ها می‌توان بر امنیت و محافظت شبکه های کوانتومی تکیه کرد.

آیا اینترنت کوانتومی سریعتر از نور است؟

بله اینترنت کوانتومی به‌راحتی می‌تواند حجم زیادی از اطلاعات و داده‌های سنگین را با سرعتی بیشتر از سرعت نور و در فواصل بسیار عظیم منتقل کند.

آیا چین اینترنت کوانتومی دارد؟

خیر، در حال حاضر هیچ کشور به اینترنت کوانتومی دست نیافته و این ایده همچنان در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارد. با این حال، دو کشور آمریکا و چین توانسته‌اند در این زمینه به موفقیت‌هایی دست یافته و نتایج خود را به نمایش بگذارند.

آیا تهدید کوانتومی واقعی است؟

شبکه های کوانتومی تهدیدی بسیار خطرناک برای الگوریتم‌های امنیتی فعلی توصیف می‌شوند، زیرا می‌توانند با سرعت بسیار بالایی تمام الگوریتم‌های امنیتی موجود را شکسته و از لایه‌های حفاظتی عبور کنند.

بنابراین، با یک فناوری نوظهور سروکار داریم که مانند هر فناوری دیگری می‌تواند نقش یک شمشیر دو لبه را داشته و هم در جهت آسایش و هم در جهات دیگر مورد استفاده قرار گیرد.

جمع‌بندی

اینترنت کوانتومی و شبکه های کوانتومی دو مفهوم نوظهور در علم هستند و دانشمندان همچنان به دنبال تحقیق و پژوهش بیشتر بر روی آن‌ها هستند.

بااین‌حال، آزمایش‌های صورت گرفته نشان می‌دهد که این فناوری توانایی جابه‌جایی داده‌ها و اطلاعات بین دستگاه‌های کوانتومی با استفاده از قوانین عجیب مکانیک را دارد. ازنظر تئوری، اینترنت‌ کوانتومی به قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای دست خواهد یافت که امکان اجرای آن‌ها در وب کنونی ناممکن است.

در نگاه اول، شاید اینترنت کوانتومی مانند اینترنت استاندارد به نظر برسد؛ اما ارسال کیوبیت‌ها در کانالی کوانتومی به‌جای کانالی کلاسیک به معنی بهبود رفتار بیت‌ها در مقیاس کوچک‌تر یا وضعیت‌های کوانتومی است.

باید خاطرنشان کرد که قوانین فیزیک کوانتومی که روش انتقال داده در اینترنت کوانتومی را تعریف می‌کنند، هنوز هم برای دانشمندان تا حدود مبهم و ناشناخته هستند. بااین‌حال، شاید با صرف هزینه‌های لازم و تحقیق و توسعه طی چند دهه آینده به توان به این فناوری متحول‌کننده دست یافت.