دانشمندان در دانشگاه شیکاگو روش جدیدی برای ایجاد شبکه‌های کوانتومی ارائه داده‌اند، که با استفاده از لوله‌های خلاء و عدسی‌ها، امکان انتقال داده‌های کوانتومی را برای مسافت‌های طولانی فراهم می‌کند.
به‌گزارش تک‌ناک، این فناوری که به طور خاص برای شبکه‌های کوانتومی طراحی شده است، می‌تواند تعاملات امن و کارآمد بین رایانه‌های کوانتومی را در سرتاسر کشور ممکن سازد.
یک رویکرد جدید برای شبکه‌های کوانتومی، شامل استفاده از لوله‌های مهر و موم شدۀ خلاء با لنزهای فاصله‌دار برای انتقال داده‌های کوانتومی از طریق فوتون‌ها در فواصل طولانی است. این روش که توسط دانشمندان دانشگاه شیکاگو و همکارانشان ایجاد شده است، با هدف برقراری ارتباط کوانتومی ایمن و با ظرفیت بالا در فواصل بسیار زیاد می‌باشد.
رایانه‌های کوانتومی راه‌های قدرتمندی را برای بهبود امنیت سایبری، ارتباطات و پردازش داده‌ها در میان سایر زمینه‌ها ارائه می‌کنند. با وجود این، برای تحقق این مزایا به چندین رایانۀ کوانتومی برای ساخت شبکه‌های کوانتومی یا اینترنت کوانتومی نیاز است. دانشمندان در راستای دستیابی به روش‌های عملی برای ساخت چنین شبکه‌هایی که باید اطلاعات کوانتومی را در فواصل طولانی منتقل کنند، تاکنون تلاش‌های بسیاری کرده‌اند.
نوآوری در ارتباطات کوانتومی
به تازگی محققان دانشکدۀ مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو (PME)، رویکرد جدیدی را پیشنهاد کرده‌اند که ساخت کانال‌های کوانتومی طولانی با استفاده از لوله‌های مهر و موم شدۀ خلاء با مجموعه‌ای از لنزهای فاصله‌دار است. این راهنماهای پرتو خلاء، با قطر حدود 20 سانتی‌متر، بُرد هزاران کیلومتر و ظرفیت 10 تریلیون کیوبیت در ثانیه را دارند، که بهتر از هر روش ارتباطی کوانتومی موجود است. فوتون‌های نوری داده‌های کوانتومی را رمزگذاری و از طریق لوله‌های خلاء حرکت می‌کنند و به لطف لنزها متمرکز می‌مانند.
لیانگ جیانگ، نویسندۀ ارشد این مطالعه گفت: «ما معتقد هستیم این نوع شبکه امکان‌پذیر است و پتانسیل زیادی دارد. می‌توان از آن نه تنها برای ارتباطات امن، بلکه برای ساخت شبکه‌های محاسباتی کوانتومی توزیع‌شده، فناوری‌های سنجش کوانتومی توزیع‌شده، انواع جدید تلسکوپ‌ها و ساعت‌های همگام استفاده کرد.»
جیانگ با دانشمندان دانشگاه استنفورد و مؤسسۀ فناوری کالیفرنیا برای این تحقیق جدید که در 9 جولای در مجلۀ Physical Review Letters منتشر شد، همکاری کرد.
خواص کوانتومی و انتقال داده
در حالی که رایانه‌های کلاسیک، داده‌ها را در بیت‌های معمولی رمزگذاری می‌کنند و به صورت 0 یا 1 نشان داده می‌شوند، رایانه‌های کوانتومی به کیوبیت‌ها متکی هستند، که می‌توانند پدیده‌های کوانتومی را نشان دهند. این پدیده‌ها شامل برهم نهی، یعنی نوعی ترکیب مبهم از حالت‌ها و درهم تنیدگی است، که به دو ذرۀ کوانتومی اجازه می‌دهد حتی در فواصل بسیار زیاد با یکدیگر همبستگی داشته باشند.
این ویژگی‌ها به رایانه‌های کوانتومی، توانایی تجزیه و تحلیل انواع جدید داده‌ها و ذخیره و انتقال اطلاعات را به روش‌های جدید و ایمن می‌دهد. اتصال چندین کامپیوتر کوانتومی می‌تواند آنها را حتی قدرتمندتر کند، چرا که توانایی‌های پردازش دادۀ آنها را می‌توان ادغام کرد. با وجود این، شبکه‌هایی که اغلب برای اتصال کامپیوترها استفاده می‌شوند، ایدئال نیستند و نمی‌توانند خصوصیات کوانتومی کیوبیت‌ها را حفظ کنند.
جیانگ در این باره توضیح داد: «شما نمی‌توانید یک حالت کوانتومی را روی یک شبکۀ کلاسیک ارسال کنید. شما می‌توانید یک قطعه داده را به صورت کلاسیک ارسال نمایید و یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند آن را پردازش کند، امّا نتیجه دوباره به صورت کلاسیک ارسال می‌شود.»
تاکنون برخی از محققان روش‌های استفاده از کابل‌های فیبر نوری و ماهواره‌ها را برای انتقال فوتون‌های نوری که می‌توانند به عنوان کیوبیت عمل کنند، آزمایش کرده‌اند. فوتون‌ها می‌توانند مسافت کوتاهی را از طریق کابل‌های فیبر نوری موجود طی کنند، امّا به طور کلی با جذب فوتون‌ها اطلاعات خود را به سرعت از دست می‌دهند. فوتون‌های پرتاب شده در مکان جدید به ماهواره‌ها و زمین به دلیل خلاء فضا کمتر جذب می‌شوند، امّا انتقال آنها به دلیل جذب جو و در دسترس بودن ماهواره‌ها محدود می‌شود.
ژیان هوانگ، اولین نویسندۀ مقالۀ جدید گفت: «کاری که ما به دنبال انجام آن بودیم ترکیب مزایای هر یک از رویکردهای قبلی بود. در خلاء، شما می‌توانید بسیاری از اطلاعات را بدون تضعیف ارسال کنید، امّا اینکه بتوانیم این کار را روی زمین انجام دهیم، ایدئال خواهد بود.»
لوله‌های خلاء زمینی و اطلاعات کوانتومی
دانشمندانی که در رصدخانۀ امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) مؤسسۀ فناوری کالیفرنیا (Caltech) کار می‌کنند، لوله‌های خلاء زمینی عظیمی برای فوتون‌های متحرک نور ساخته‌اند، که می‌توانند امواج گرانشی را تشخیص دهند. آزمایش‌ها در LIGO نشان داده است که در داخل یک خلاء اغلب عاری از مولکول، فوتون‌ها می‌توانند هزاران کیلومتر را طی کنند.
جیانگ، هوانگ و همکارانشان با الهام از این فناوری، شروع به ترسیم چگونگی استفاده از لوله‌های خلاء کوچک‌تر برای انتقال فوتون بین کامپیوترهای کوانتومی کردند. آنها در تحقیق نظری جدید خود نشان دادند که این لوله‌ها اگر به درستی طراحی و چیده شوند، می‌توانند فوتون‌ها را در سراسر کشور حمل کنند. همچنین آنها فقط به خلاء متوسط (فشار اتمسفر 10^-4) نیاز دارند، که حفظ آن بسیار ساده‌تر از خلاء فوق‌العاده بالای (فشار اتمسفر 10^-11) مورد نیاز برای LIGO است.
جیانگ اعلام کرد: «چالش اصلی این است که وقتی فوتون در خلاء حرکت می‌کند، فقط به میزان کمی گسترش می‌یابد. برای غلبه بر این مشکل، بهتر است هر چند کیلومتر یک عدسی قرار دهیم تا بتواند پرتو را در فواصل طولانی بدون تلفات متمرکز کند.»
با همکاری محققان در Caltech، این گروه در حال برنامه‌ریزی آزمایش‌هایی برای سنجش عملی بودن این ایده هستند و سپس قصد دارند از لوله‌های خلاء بزرگ‌تر، مانند لوله‌های LIGO برای کار روی شیوۀ تراز کردن عدسی‌ها و تثبیت پرتوهای فوتون در فواصل طولانی استفاده کنند.
جیانگ تأکید کرد: «پیاده‌سازی این فناوری در مقیاس بزرگ‌تر، یک سری چالش‌های مهندسی عمران را به همراه دارد که ما باید آنها را نیز کشف کنیم. امّا مزیت نهایی این است که ما شبکه‌های کوانتومی بزرگی داریم که می‌توانند ده‌ها ترابایت داده در ثانیه را به یکدیگر متصل کنند.»
