اینترنت کوانتومی سخت‌ترین آزمایش واقعی خود را پشت سر گذاشت

پژوهشگران مؤسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا، NIST، یکی از مهم‌ترین چالش‌های اصلی اینترنت کوانتومی را رفع کردند که مسیر توسعه این حوزه را هموارتر می‌کند.

به گزارش سرویس اینترنت و شبکه تک‌ناک، این پژوهشگران فوتون‌های درهم‌تنیده را در مسیری ۶۲ کیلومتری از کابل‌های فیبر نوری موجود منتقل کردند، بدون آنکه درهم‌تنیدگی کوانتومی آنها از بین برود. اهمیت این آزمایش به شرایط واقعی و پر از اختلال شبکه مربوط می‌شود.

شبکه‌های مبتنی بر فیزیک کوانتومی می‌توانند در آینده امنیت ارتباطات را افزایش دهند، رایانه‌های کوانتومی را به یکدیگر متصل کنند و امکان ساخت نسل جدیدی از ابزارهای علمی را فراهم آورند. با وجود این، انتقال اطلاعات کوانتومی در شبکه‌های ارتباطی فعلی با مشکلات فنی متعددی روبه‌رو است.

یکی از مهم‌ترین چالش‌ها به پدیده «درهم‌تنیدگی کوانتومی» مربوط می‌شود. در این پدیده، دو ذره به شکلی به یکدیگر مرتبط می‌شوند که ارتباط میان آنها حتی در فاصله زیاد نیز حفظ می‌شود. اندازه‌گیری یکی از ذرات می‌تواند نتیجه اندازه‌گیری ذره دیگر را مشخص کند.

دانشمندان برای ساخت شبکه‌های کوانتومی باید بتوانند این ارتباط حساس را هنگام انتقال ذرات در مسافت‌های طولانی حفظ کنند. انجام این کار در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی امکان‌پذیر است، اما استفاده از زیرساخت‌های ارتباطی واقعی چالش بسیار بزرگ‌تری ایجاد می‌کند. عوامل محیطی می‌توانند حالت کوانتومی ذرات را تغییر دهند و درهم‌تنیدگی آنها را از بین ببرند.

پژوهشگران NIST اکنون نشان داده‌اند که می‌توان این مانع را حتی در شرایط نامناسب یک شبکه واقعی پشت سر گذاشت. آنها فوتون‌ها، یعنی ذرات نور را در طول ۶۲ کیلومتر یا ۳۸.۵ مایل از کابل‌های شبکه موجود منتقل کردند و توانستند درهم‌تنیدگی آنها را حفظ کنند. نتایج این پژوهش در نشریه Journal of Optical Communications and Networking منتشر شده است.

ییچنگ شی، فیزیکدان NIST، این آزمایش را یک «آزمون فشار برای سامانه‌های شبکه کوانتومی» توصیف کرد. به گفته او، پژوهشگران سامانه را در محیطی بسیار پر از نویز تحت آزمایشی سخت قرار دادند و با وجود این شرایط، فناوری مورد استفاده همچنان عملکرد خود را حفظ کرد.

بیشتر بخوانید: تله‌پورت کوانتومی از طریق اینترنت عمومی ممکن شد

آزمایش اینترنت کوانتومی در شرایط دشوار شبکه واقعی

فاصله ۶۲ کیلومتری آزمایش جدید رکورد انتقال فوتون‌های درهم‌تنیده محسوب نمی‌شود. پژوهشگران پیش از این توانسته‌اند درهم‌تنیدگی کوانتومی را در مسافت‌های بسیار بیشتری حفظ کنند. ویژگی مهم آزمایش NIST، نوع زیرساخت و شرایط محیطی مسیر انتقال اطلاعات بود.

بخش زیادی از کابل فیبر نوری مورد استفاده در این آزمایش در زیر زمین قرار نداشت و روی تیرهای کنار خیابان نصب شده بود. این شبکه، NIST را به دانشگاه مریلند متصل می‌کرد و کابل‌های آن مستقیما در معرض شرایط محیطی قرار داشتند.

باد، تغییرات دما و انواع لرزش‌ها می‌توانستند بر کابل‌های این شبکه اثر بگذارند. حرکت خودروها در خیابان و حتی عبور پرندگان نیز از جمله عواملی بودند که شرایط انتقال را تغییر می‌دادند. چنین تغییراتی برای ارتباطات کوانتومی اهمیت زیادی دارند.

این عوامل معمولا مانع پخش فیلم، انتقال داده‌های عادی یا برقراری تماس‌های ویدیویی در اینترنت کلاسیک نمی‌شوند، اما اطلاعات کوانتومی بسیار حساس‌تر هستند. تغییر شرایط محیطی می‌تواند قطبش فوتون‌ها را دچار اختلال کند. قطبش به جهت نوسان میدان الکتریکی فوتون مربوط می‌شود و اطلاعات مربوط به درهم‌تنیدگی نیز در این ویژگی قرار دارد.

الیور اسلتری، فیزیکدان NIST، شرایط این شبکه را تقریبا بدترین نوع اتصال ممکن توصیف کرد. همین مسئله باعث شده است که آزمایش جدید به نمونه مهمی برای سنجش امکان استفاده از شبکه‌های فیبر نوری موجود در اینترنت کوانتومی تبدیل شود.

پژوهشگران برای مقابله با تغییرات ایجادشده در قطبش فوتون‌ها از نور لیزر به‌عنوان یک سیگنال مرجع استفاده کردند. آنها ابتدا میزان تغییر و چرخشی را که نور لیزر هنگام حرکت در فیبر تجربه می‌کرد، اندازه‌گیری کردند. سپس سامانه با استفاده از این اطلاعات، اصلاحات لازم را برای فوتون‌های درهم‌تنیده اعمال کرد.

این روش به جابه‌جایی متناوب میان ارسال فوتون‌های درهم‌تنیده و نور لیزر نیاز داشت. با وجود این، فرایند اندازه‌گیری و اصلاح تنها ۷.۲ درصد از کل زمان فعالیت سامانه را اشغال کرد. پژوهشگران توانستند در ۹۲.۸ درصد زمان باقی‌مانده، اطلاعات کوانتومی پایدارشده را انتقال دهند.

حفظ درهم‌تنیدگی با پایدارسازی فعال فیبر نوری

پژوهشگران اعلام کردند که نتایج آزمایش، امکان توزیع فوتون‌های درهم‌تنیده از نظر قطبش را در شرایط دشوار فیبر نوری نشان می‌دهد. آنها این دستاورد را گامی مهم در مسیر استقرار عملی شبکه‌های کوانتومی می‌دانند.

آزمایش‌های دیگری در حوزه درهم‌تنیدگی کوانتومی توانسته‌اند فاصله‌های بسیار بیشتری را پوشش دهند. برای نمونه، پژوهشگران به تازگی در یک آزمایش رکوردشکن موفق شدند درهم‌تنیدگی را در طول ۴۲۰ کیلومتر فیبر نوری حفظ کنند. با وجود این، آزمایش NIST در محیطی بسیار متغیرتر و نزدیک‌تر به شرایط شبکه‌های ارتباطی روزمره انجام شده است.

فیبرهای نوری هوایی معمولاً گزینه مناسبی برای انتقال فوتون‌هایی نیستند که اطلاعات آنها بر اساس قطبش رمزگذاری شده است. تغییرات محیطی می‌تواند وضعیت این فوتون‌ها را به‌ سرعت تغییر دهد و اطلاعات کوانتومی را مختل کند.

پژوهشگران در مقاله خود توضیح دادند که با وجود نامناسب دانستن فیبرهای هوایی برای انتقال فوتون‌های درهم‌تنیده از نظر قطبش، آزمایش آنها امکان توزیع پایدار این نوع درهم‌تنیدگی را نشان داده است. شرط اصلی برای دستیابی به این نتیجه، پایدارسازی فعال اتصال فیبر بود.

این نتیجه اهمیت ویژه‌ای برای آینده شبکه‌های کوانتومی دارد، چرا که ایجاد اینترنت کوانتومی در مقیاس گسترده با ساخت یک زیرساخت کاملا جدید هزینه و پیچیدگی بسیار زیادی خواهد داشت. آزمایش جدید نشان می‌دهد که دست‌کم بخشی از شبکه‌های فیبر نوری موجود می‌تواند در شرایط مناسب برای انتقال اطلاعات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.

با وجود این، پژوهشگران هنوز با محدودیت‌های مهمی روبه‌رو هستند. یکی از این محدودیت‌ها نرخ انتقال فوتون‌های درهم‌تنیده است. سامانه آزمایشی توانست بین ۲۰۰ تا ۱۵۰۰ فوتون درهم‌تنیده را در هر ثانیه انتقال دهد.

این میزان برای نمایش امکان‌پذیر بودن فناوری مناسب است، اما برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی کاربردی کافی نخواهد بود. پژوهشگران باید نرخ انتقال اطلاعات را افزایش دهند تا شبکه‌های آینده بتوانند حجم بیشتری از ارتباطات کوانتومی را مدیریت کنند.

بیشتر بخوانید: اینترنت کوانتومی با اتصال دو شبکه مستقل یک گام به واقعیت نزدیک شد

اینترنت کوانتومی چه کاربردهایی خواهد داشت؟

پژوهشگران استفاده از سخت‌افزار سریع‌تر و الگوریتم‌های نرم‌افزاری کارآمدتر را دو راه احتمالی برای افزایش عملکرد سامانه معرفی کرده‌اند. چنین پیشرفت‌هایی می‌توانند تعداد فوتون‌های درهم‌تنیده قابل انتقال در هر ثانیه را افزایش دهند و شبکه‌های کوانتومی را به کاربرد عملی نزدیک‌تر کنند.

همچنین نتایج این مطالعه شواهد بیشتری درباره ارزش ادامه پژوهش روی شبکه‌های کوانتومی ارائه می‌دهد. کاربردهای احتمالی این فناوری تنها به ایجاد نسخه‌ای سریع‌تر یا متفاوت از اینترنت فعلی محدود نمی‌شود.

یکی از کاربردهای مطرح‌شده، اتصال تلسکوپ‌هایی است که در نقاط مختلف زمین قرار دارند. پژوهشگران می‌توانند با استفاده از فوتون‌های درهم‌تنیده، عملکرد دو تلسکوپ جدا از یکدیگر را هماهنگ کنند. در چنین شرایطی، این تلسکوپ‌ها می‌توانند در عمل مانند یک ابزار علمی بسیار بزرگ واحد فعالیت کنند.

امنیت ارتباطات نیز یکی دیگر از کاربردهای مهم شبکه‌های کوانتومی خواهد بود. گره‌های شبکه که در فاصله زیادی از یکدیگر قرار دارند، می‌توانند یک کد محرمانه را برای تأیید داده‌ها به اشتراک بگذارند. ویژگی‌های فیزیک کوانتومی باعث می‌شود رهگیری پنهانی چنین اطلاعاتی بسیار متفاوت از شبکه‌های کلاسیک باشد.

در این روش، کد مورد استفاده تا زمان بررسی تعیین نمی‌شود و تلاش برای اندازه‌گیری اطلاعات کوانتومی می‌تواند وضعیت آنها را تغییر دهد. این ویژگی می‌تواند زمینه توسعه روش‌های ارتباطی و امنیتی جدید را فراهم کند.

با وجود این ظرفیت‌ها، آزمایش NIST نشان نمی‌دهد که اینترنت کوانتومی آماده استفاده عمومی است. پژوهشگران همچنان باید سرعت انتقال را افزایش دهند، تجهیزات را بهینه کنند و روش‌های پایدارسازی ارتباط را برای شبکه‌های بزرگ‌تر توسعه دهند.

دستاورد اصلی این آزمایش، اثبات امکان حفظ درهم‌تنیدگی فوتون‌ها در یکی از نامناسب‌ترین محیط‌های واقعی برای ارتباطات کوانتومی است. پژوهشگران توانستند با استفاده از سیگنال مرجع لیزری و اصلاح مداوم تغییرات فیبر، فوتون‌های درهم‌تنیده را در مسیر ۶۲ کیلومتری شبکه موجود منتقل کنند. این نتیجه نشان می‌دهد که زیرساخت‌های فیبر نوری فعلی، حتی کابل‌های هوایی در معرض باد، تغییر دما، ترافیک و لرزش، ممکن است با فناوری پایدارسازی مناسب بخشی از شبکه‌های کوانتومی آینده را تشکیل دهند.

بیشتر بخوانید: تحقق اینترنت کوانتومی با دستیابی به انتقال امن 100 کیلومتری