چرا اینترنت کوانتومی باید در فضا ساخته شود؟

چرا اینترنت کوانتومی باید در فضا ساخته شود؟

فیزیک‌دانان می‌گویند که بهترین راه برای توزیع درهم‌تنیدگی کوانتومی در سراسر جهان، یک صورت فلکی بزرگ از ماهواره‌های در حال چرخش است.

اینترنت کوانتومی، رویایی است که در سال‌های اخیر توسط تعداد زیادی از مهندسان فناوری شرح داده شده و هدف آن، بهره‌برداری از ویژگی‌های خارق‌العاده کوانتومی فوتون‌ها و الکترون‌ها برای ارسال پیام‌ها با امنیت کامل است.

این ایده، کاربردهای دولتی و نظامی بسیار واضحی دارد، اما بصورت فزاینده‌ای مورد توجه بانک‌ها و سایر موسسات مالی که نیاز به امن بودن همه‌چیز (از قراردادها تا تراکنش‌های مالی) دارند، قرار گرفته است. افزون بر این، این نوع امنیت، بسیار مورد نیاز است، زیرا کامپیوترهای کوانتومی قادر به شکستن کدهایی که در حال حاضر حجم وسیعی از اطلاعات را مصون نگه می‌دارند، خواهند بود. بدین ترتیب یک سوال جالب مطرح می‌شود: دانشمندان و مهندسان چگونه اینترنت کوانتومی را در گستره‌ی کره‌ی زمین توسعه خواهند داد؟

امروز به لطف تلاش‌های سامیت خطری (Sumeet Khatri) و همکارانش در دانشگاه ایالتی لوئیزانا (Louisiana State University) پاسخی برای این سوال یافته‌ایم. این گروه، روش‌های مختلف ایجاد اینترنت کوانتومی را مطالعه کرده‌اند و می‌گویند که به صرفه‌ترین روش، ساخت یک صورت فلکی از ماهواره‌های با قابلیت کوانتومی است که بتوانند بطور پیوسته فوتون‌های درهم‌تنیده را به زمین مخابره کنند. بعبارت دیگر، اینترنت کوانتومی باید مبتنی بر فضا باشد.

در اینجا بیان برخی مفاهیم، مفید خواهد بود. در قلب هر شبکه‌ی کوانتومی، ویژگی عجیب درهم‌تنیدگی وجود دارد. در این پدیده، دو ذره‌ی کوانتومی حتی اگر فاصله‌ی زیادی با هم داشته باشند، موجودیت یکسانی را با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند. این پدیده باعث می‌شود که انجام یک اندازه‌گیری بر روی یکی از ذرات، فورا بر دیگری نیز تاثیر بگذارد. این یک شگفتی است که اینشتین آن را «کنش شبح‌وار از راه دور» نامید.

فیزیک‌دانان معمولا درهم‌تنیدگی را با استفاده از جفت فوتون‌هایی که در یک نقطه و در یک لحظه ایجاد شده‌اند، توزیع می‌کنند. زمانی که فوتون‌ها به مکان‌های متفاوتی ارسال می‌شوند، درهم‌تنیدگی ایجاد شده که آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند، می‌تواند برای ارسال امن اطلاعات مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

مشکل موجود در این روش، شکنندگی درهم‌تنیدگی، و دشواری حفظ آن است. هرگونه برهمکنش کوچکی بین یکی از فوتون‌ها و محیط اطرافش، ارتباط آن‌ها را می‌شکند. این دقیقا اتفاقی است که وقتی فیزیک‌دانان فوتون‌های درهم‌تنیده را مستقیما از داخل اتمسفر یا از طریق فیبرهای نوری منتقل می‌کنند، رخ می‌دهد. فوتون‌ها با اتم‌های دیگر موجود در اتمسفر یا شیشه‌ی فیبر نوری برهمکنش می‌کنند و در نتیجه درهم‌تنیدگی از بین می‌رود. بیشترین فاصله‌ای که در طول آن درهم‌تنیدگی با این روش می‌تواند به اشتراک گذاشته شود، فقط چندصد کیلومتر است.

پس چگونه می‌توان یک اینترنت کوانتومی ایجاد کرد که درهم‌تنیدگی را در سراسر کره‌ی زمین به اشتراک بگذارد؟ یک گزینه، استفاده از تکرارکننده‌های کوانتومی است. تکرارکننده‌ی کوانتومی دستگاهی است که ویژگی‌های کوانتومی فوتون‌ها را هنگام دریافت آن‌ها اندازه‌گیری می‌کند و سپس، این ویژگی‌ها را به فوتون‌های جدیدی که در مسیر آن‌ها ارسال می‌شوند، منتقل می‌کند. اینکار درهم‌تنیدگی را حفظ و امکان پریدن درهم‌تنیدگی از یک تکرارکننده به تکرارکننده بعدی را فراهم می‌کند. به هر حال این فناوری، بسیار آزمایشگاهی است و چند سال با بهره‌برداری تجاری فاصله دارد.

راه حل دیگر، ایجاد جفت‌های درهم‌تنیده از فوتون‌ها در فضا و ارسال آن‌ها به ایستگاه‌های متفاوتی روی زمین است. سپس این ایستگاه‌ها درهم‌تنیده شده و امکان تبادل پیام بین آن‌ها با امنیت کامل فراهم می‌شود.

در سال 2017، یک ماهواره‌ی چینی به نام میکیوس (Micius) برای اولین بار نشان داد که درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند به این طریق به اشتراک گذاشته شود. معلوم می‌شود که فوتون‌ها در این سناریو می‌توانند مسافت بیشتری را بپیمایند، زیرا تنها 20 کیلومتر یا مقداری بیش‌تر از انتهای مسیر پیمایش فوتون درون اتمسفر است، به شرطی که ماهواره در ارتفاع بالایی در آسمان قرار داشته و به افق نزدیک نباشد.

خطری و همکارانش می‌گویند که یک صورت فلکی از ماهواره‌های مشابه، روش بسیار بهتری برای ایجاد اینترنت کوانتومی است. کلید پیاده‌سازی یک ارتباط امن، این است که دو ایستگاه زمینی قادر به مشاهده‌ی همزمان یک ماهواره، به صورتی باشند که هردو بتوانند فوتون‌های درهم‌تنیده‌ی دریافتی را از آن ماهواره دریافت کنند.

این سوال بوجود می‌آید که ماهواره باید در چه ارتفاعی پرواز کند تا بیشترین پوشش‌دهی ممکن را داشته باشد؟ و چند ماهواره نیاز خواهد بود؟ خطری و همکارانش می‌گویند: «از آنجاییکه ماهواره‌ها در حال حاضر، منابع گران‌قیمتی هستند، تمایل داریم که کمترین تعداد ممکن از آن‌ها را در شبکه داشته باشیم و در عین حال، پوشش‌دهی کامل و پیوسته را نیز حفظ کنیم».

آن‌ها برای یافتن پاسخ این سوال، چنین صورت فلکی را مدل‌سازی کردند. معلوم می‌‌شود که در این طرح، چند مصالحه باید در نظر گرفته شود. برای مثال، تعداد کمتری ماهواره‌، در ارتفاع مداری بالاتر می‌توانند پوشش‌دهی جهانی را ارائه کنند، اما ارتفاعات بالاتر نیز منجر به از دست دادن فوتون‌های بیشتری می‌شود. همچنین، ماهواره‌هایی که در ارتفاع پایین‌تری قرار دارند، می‌توانند فقط فواصل کوتاه‌تری بین ایستگاه‌های زمینی را پوشش دهند، چرا که ایستگاه‌ها باید قادر باشند یک ماهواره را بصورت همزمان مشاهده کنند.

محققان با توجه به این محدودیت‌ها، بهترین مصالحه را بصورت یک صورت فلکی شامل حداقل 400 ماهواره که در ارتفاع حدودی سه هزار کیلومتری قرار دارند، پیشنهاد کردند. در مقابل نیز، GPS با 24 ماهواره کار می‌کند.

حتی در اینصورت، بیشترین فاصله‌ی بین ایستگاه‌های زمینی به 7500 کیلومتر محدود خواهد شد و این یعنی چنین سیستمی می‌تواند ارتباط امن بین لندن و مومبای (بمبئی) را که 7200 کیلومتر فاصله دارند، برقرار کند اما قادر به ایجاد ارتباط امن بین لندن و هیوستون که 7800 کیلومتر فاصله دارند، نیست. این یک نقطه ضعف اساسی برای این سیستم است.    

خطری می‌گوید با این وجود، یک اینترنت کوانتومی مبتنی بر فضا، بسیار بهتر از سیستم‌های تکرارکننده‌های کوانتومی زمین‌پایه عمل می‌کند. تکرارکننده‌ها باید در فواصل کمتر از 200 کیلومتری قرار بگیرند که در اینصورت پوشش مسافت‌های بلند، به تعداد زیادی از آن‌ها نیاز خواهد داشت و این نیز، محدودیت‌های خود را به همراه دارد. خطری می‌گوید: «بنابراین درمی‌یابیم که ماهواره‌ها یک مزیت بسیار مهم نسبت به توزیع درهم‌تنیدگی زمین‌پایه دارند».

البته که چنین سیستمی به سرمایه‌گذاری چشمگیری نیز نیاز خواهد داشت. در حال حاضر، چین با داشتن یک ماهواره‌ی آزمایش‌شده و قرار گرفته در مدار با این فناوری، پیشگام است و برنامه‌هایی برای گام‌های فراتر نیز دارد. در مقابل، اروپا و آمریکا جاه‌طلبی کمتری برای این مهم از خود نشان داده‌اند. اگر این فناوری ارزش خود را اثبات کند، این وضعیت می‌تواند به سرعت تغییر نماید. در اینصورت ممکن است رقابت فضای کوانتومی، گرم‌تر شود.


منبع: technologyreview
كلمات كليدي :
ارتباطات امن کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

login