چرا انتقال کوانتومی اطلاعات اهمیت دارد؟

_ آنا نوشت: انتقال داده‌ها، هم در مقیاس بزرگ و هم در مقیاس کوچک، ستون فقرات جامعه اطلاعاتی مدرن را تشکیل می‌دهد. در اینترنت، داده‌ها بین کامپیوتر‌های سراسر جهان رد و بدل می‌شود، در سال‌های اخیر این انتقال اغلب با استفاده از کابل‌های فیبر نوری  انجام گرفته است. از سوی دیگر اطلاعات در درون کامپیوتر باید بین پردازنده‌های مختلف رفت و برگشت داشته باشد. تبادل قابل اعتماد داده‌ها در فناوری‌های جدید بسیار مهم است و فناوری‌های کوانتومی که در حال حاضر در حال توسعه هستند قابلیت پیاده‌سازی دارند.

 

دوشنبه شب اتفاقی بزرگ در حوزه علم کشور رخ داد و سومین آزمایش انتقال امن اطلاعات از طریق فناوری کوانتومی بین برج میلاد و سازمان انرژی اتمی با موفقیت انجام شد تا گام بلندی در انقلاب دوم فناوری توسط دانشمندان بزرگ کشورمان رقم بخورد. اطلاعات به لطف این فناوری بدون «هیچ فاصله زمانی» و به صورت امن منتقل خواهند شد. به عبارت دیگر، دانشمندان کشورمان موفق شده‌اند اطلاعات کوانتومی را با فشار یک دکمه و با اطمینان بالا، بین بیت‌های کوانتوم با فاصله بیش از یک کیلومتر انتقال دهند.   

ویژگی اصلی فناوری‌های اطلاعاتی کوانتومی، کامپیوتر‌های کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی استفاده از بیت‌های کوانتوم یا «کیوبیت» به عنوان واحد ابتدایی اطلاعات است. کیوبیت‌ها متفاوت از بیت‌های معمول هستند و ضرورتی ندارد صرفاً مقدار ۰ یا ۱ داشته باشند بلکه حالت‌های به اصطلاح فوق‌العاده‌ای به خود می‌گیرند. این امر از یک طرف امکان ساخت کامپیوتر‌های بسیار قدرتمندی را فراهم می‌کند که از این حالت‌های فوق‌العاده برای انجام محاسبات کارآمدتر و سریع‌تر از کامپیوتر‌های عادی استفاده می‌کنند. از طرف دیگر، این اطلاعات بسیار حساس هستند و به سادگی با استفاده از تکنیک‌های مرسوم قابل انتقال نیستند.

 

سختی ماجرا اینجا است که یک کیوبیت ثابت ابتدا باید به یک کیوبیت اصطلاحاً «پروازی»، به عنوان مثال فوتون تبدیل شود و سپس پس از دریافت مجدداً به یک کیوبیت ثابت دیگر تبدیل شود. در جهان تنها چند سال است که محققان توانسته‌اند حالت کوانتومی یک اتم را به این طریق منتقل کنند و تاکنون تنها شش کشور موفق به انجام چنین کاری شده‌اند؛ بنابراین تلاش پژوهشگران کشورمان از این لحاظ بسیار ارزنده محسوب می‌شود. آن‌ها هم‌اکنون موفق شده‌اند که انتقال یک کیوبیت حالت جامد ابررسانا را به یک کیوبیت دیگر را در فاصله‌ای دور تحقق بخشند.

 

به طور معمول فیزیکدانان برای انجام این کار با استفاده از یک کابل کواکسیال از نوعی که برای اتصال به آنتن نیز استفاده می‌شود، دو کیوبیت ابررسانا را به هم متصل می‌کنند. ابتدا حالت کوانتومی کیوبیت اول که با تعداد جفت الکترون ابررسانای موجود در آن تعریف می‌شود (که به جفت کوپر نیز معروف است)، با استفاده از پالس‌های مایکروویو کاملاً کنترل‌شده، به صورت یک فوتون به یک تشدیدکننده منتقل می‌شود. آن فوتون از طریق تشدیدکننده دوم با پالس‌های مایکرویو پرواز می‌کند و یک بار دیگر، حالت کوانتومی خود را به صورت کیوبیت درمی‌آورد.   

نکته مهم این است که انتقال حالت کوانتومی قطعی است به این معنی که با فشار یک دکمه کار می‌کند. مشکلی که در آزمایش‌های سایر نقاط جهان گهکاه مشاهده می‌شود این است انتقال حالات کوانتومی تنها گاهی اوقات انجام می‌شود. تاکنون در جهان یکی از روش‌های حل مشکل این بوده است که هر زمان انتقال به درستی انجام نگرفت، تلاش دوباره انجام گیرد که به طور بدیهی روشی غیرقابل اتکا است. نباید فراموش کرد مزیت اصلی روش کوانتومی سرعت آن است؛ بنابراین دستیابی به فناوری ارسال قطی اطلاعات دستاوردی بسیار بزرگ است چرا که پس از پیروزی کوانتومی گوگل در سال گذشته برای اصحاب فناوری آشکار شد که صنعت فناوری دیجیتال در تمام رده‌ها در آینده نه چندان دور به کوانتوم وابسته خواهد بود.  

با توجه به اینکه رئیس سازمان انرژی اتمی این آزمایش را سومین انتقال امن اطلاعات با فناوری کوانتومی نامیده است می‌توان حدس زد که گام بعدی محققان داخلی تلاش برای تعبیه هم‌زمان فرستنده و گیرنده در یک مکان خواهد بود تا امکان تعامل بین جفت‌های کیوبیتی مقدور شود. چنین فرایندی برای رد و بدل شدن اطلاعات در پهپاد‌ها و ماهواره‌ها و همچنین کامپیوتر‌های کوانتومی بزرگ که بی‌شک طی چند سال آینده ساخته خواهند شد مفید است. تاکنون انتقال حجم بالای کیوبیت به سادگی انجام نشده است، اما برای استفاده از مزایای یک کامپیوتر کوانتومی باید انتظار چنین چیزی را داشت.  

 

در حالات شبکه‌ای نیز، ماژول‌های برنامه کوانتومی دقیقاً مانند خوشه‌های کامپیوتر‌های مجزا که امروزه استفاده می‌شود می‌توانند با استفاده از تکنیک والراف (Wallraff) به یکدیگر متصل شوند. مسافت انتقال کوانتومی داخل کشور که در حال حاضر بیش از یک کیلومتر است قطعاً می‌تواند افزایش یابد. با وجود اینکه کشورمان تنها از سال ۱۳۹۵ فعالیت‌های جدی در حوزه کوانتوم را آغاز کرده است، اما در این مدت کوتاه به پیشرفت چشم‌گیری رسیده است.