یک تجربه اینترنت کوانتومی غیرقابل هک در زیرزمین

بعدی- تحقیقات کوانتومی در آزمایشگاه دانشگاه شیکاگو می تواند به جلوگیری از هک و شبکه سازی ابررایانه های آینده کمک کند.

طبق گزارش واشنگتن پست، راز یک اینترنت امن تر و غیر قابل نفوذ تر ممکن است در زیرزمین پنهان شود. این زیرزمین کوچک با عرض 91 سانتی‌متر در بخش آزمایشگاهی دانشگاه شیکاگو حاوی قفسه‌ای باریک از دستگاه‌هایی است که ذرات کوانتومی را به‌طور نامحسوس وارد شبکه‌ای فیبر نوری می‌کنند. هدف از این کار چیست؟ استفاده از کوچکترین موجودات طبیعت برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات تحت رمزگذاری نشکن، و در نهایت برای اتصال شبکه ای از کامپیوترهای کوانتومی که قادر به انجام محاسبات عظیم یا عظیم هستند.

ایالات متحده، چین و دیگران در حال رقابت برای استفاده از خواص عجیب ذرات کوانتومی برای پردازش اطلاعات به روش های جدید قدرتمند هستند. فناوری که می تواند مزایای اقتصادی و امنیت ملی قابل توجهی را برای کشورهایی که بر آن تسلط دارند به ارمغان بیاورد.

تحقیقات کمی برای آینده اینترنت آنقدر مهم است که بودجه جدید فدرال را دریافت می کند، از جمله بودجه از قانون علوم و تراشه های اخیرا تصویب شده است. به این دلیل که اینترنت کوانتومی می تواند از تراکنش های مالی و داده های مراقبت های بهداشتی محافظت کند، از سرقت هویت جلوگیری کند و هکرهای متخاصم دولت را متوقف کند.

هفته گذشته، سه فیزیکدان جایزه نوبل را برای تحقیقات کوانتومی به اشتراک گذاشتند که به هموار کردن راه برای این اینترنت آینده کمک کرد.

تحقیقات کمی هنوز موانع زیادی برای استفاده گسترده دارد. با این حال، بانک ها، شرکت های مراقبت های بهداشتی و سایر بخش ها شروع به آزمایش با اینترنت کوانتومی کرده اند. برخی از صنایع نیز در مراحل اولیه کامپیوترهای کوانتومی را تعمیر می کنند تا ببینند آیا آنها در نهایت مشکلاتی را که کامپیوترهای کنونی قادر به حل آن نیستند، مانند کشف داروهای جدید برای درمان بیماری های صعب العلاج حل می کنند یا خیر.

گرانت اسمیت، دانشجوی فارغ التحصیل تیم تحقیقاتی دانشگاه شیکاگو، می گوید: هنوز برای تصور همه استفاده های بالقوه زود است. او در جریان بازدید اخیر از آزمایشگاه‌های دانشگاه گفت: «وقتی مردم برای اولین بار اینترنت اولیه را ایجاد کردند که رایانه‌ها را در سطح تحقیقات، دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های ملی به هم متصل می‌کرد، نمی‌توانستند انتظار تجارت الکترونیکی داشته باشند.

مطالعه فیزیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم آغاز شد، زمانی که دانشمندان کشف کردند که کوچکترین اجرام جهان – اتم ها و ذرات زیر اتمی – برخلاف ماده موجود در جهان در مقیاس بزرگ رفتار می کنند، به نظر می رسد که در چندین مکان به طور همزمان وجود دارند.

این اکتشافات که اولین “انقلاب کوانتومی” نامیده می شود، منجر به ظهور فناوری های جدیدی مانند لیزر و ساعت های اتمی شد. با این حال، تحقیقات کنونی دانشمندان را به مهار قدرت های عجیب دنیای کوانتومی نزدیک می کند.

دیوید آوشالوم، استاد دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو و رهبر تیم کوانتومی، این را انقلاب کوانتومی دوم می نامد. او می‌گوید، این رشته تلاش می‌کند تا شیوه‌ای را مهندسی کند که طبیعت در اساسی‌ترین سطح خود با دنیای ما رفتار می‌کند و این رفتارها را در فناوری‌ها و کاربردهای جدید مهار می‌کند.

رایانه‌ها و شبکه‌های ارتباطی امروزی اطلاعات را با شکستن آن به جریان‌های طولانی بیت‌ها ذخیره، پردازش و انتقال می‌دهند که معمولاً پالس‌های الکتریکی یا نوری هستند که صفر یا یک را نشان می‌دهند.

ذرات کوانتومی که به بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نیز معروف هستند، می‌توانند همزمان با صفر و یک یا در هر موقعیت انعطاف‌پذیری به نام «ابرجایگاه» وجود داشته باشند که به آن ذرات اجازه می‌دهد اطلاعات را به روش‌های جدیدی پردازش کنند. برخی از فیزیکدانان آن را با سکه ای مقایسه می کنند که همزمان به شکل سر و دم می چرخد. همچنین، کیوبیت ها می توانند درهم تنیدگی را نشان دهند که در آن دو یا چند ذره نزدیک به هم مرتبط هستند و حتی زمانی که با فاصله فیزیکی زیادی از هم جدا شوند، کاملاً یکدیگر را منعکس می کنند. آلبرت انیشتین این عمل را “عمل شبح آور از راه دور” نامید.

دستگاه‌های زیرزمین به یک شبکه فیبر نوری ۱۹۹ کیلومتری متصل می‌شوند که از پردیس Southside دانشگاه در شیکاگو به دو آزمایشگاه حومه‌ای با بودجه فدرال که در تحقیقات همکاری می‌کنند، متصل می‌شود، آزمایشگاه ملی آرگون و شتاب‌دهنده ملی فرمی.

این تیم از فوتون‌ها، که ذرات کوانتومی نور هستند، برای ارسال کلیدهای رمزگذاری در سراسر شبکه استفاده می‌کنند تا ببینند چگونه از فیبرهایی عبور می‌کنند که از زیر بزرگراه‌ها، پل‌ها و باجه‌های عوارض عبور می‌کنند. ذرات کوانتومی بسیار حساس هستند و تمایل دارند با کوچکترین اختلالی مانند ارتعاش یا تغییر دما دچار اختلال شوند. بنابراین، ارسال این ذرات در فواصل طولانی واقعی دشوار است.

در زیرزمین دانشگاه، یک قطعه سخت افزار ساخته شده توسط شرکت ژاپنی توشیبا، جفت های درهم تنیده فوتون را ساطع می کند و یکی از هر جفت را از طریق شبکه ای به آرگون، 30 مایلی دورتر در لمونت می فرستد. کلید رمزگذاری روی یک سری جفت فوتون کدگذاری شده است.

از آنجایی که جفت ها در هم تنیده هستند، کاملاً با یکدیگر هماهنگ هستند. آوشالوم می‌گوید: «به یک معنا می‌توانید آن را به عنوان یک اطلاعات ببینید. هنگامی که فوتون های به اصطلاح سفر به آرگون می رسند، دانشمندان آنجا فوتون ها را اندازه گیری می کنند و کلید را استخراج می کنند. آوشالوم می‌گوید هر کسی که بخواهد کلید را بشکند شکست می‌خورد زیرا قوانین مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که هر تلاشی برای مشاهده ذرات در حالت کوانتومی به طور خودکار ذرات را تغییر داده و اطلاعات در حال انتقال را از بین می‌برد. همچنین به فرستنده و گیرنده در مورد تلاش های استراق سمع هشدار می دهد.

استفن جروین، استاد فیزیک در دانشگاه ییل، درباره اکتشافات اخیر در فناوری کوانتومی می گوید: «چالش های فنی بزرگی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. با این حال، می توانید استدلال کنید که می تواند به اندازه انقلاب تکنولوژیکی در قرن بیستم که لیزر، ترانزیستور و ساعت اتمی و در نتیجه GPS و اینترنت را در اختیار ما قرار داد، مهم باشد.

یکی از مشکلاتی که آنها سعی در حل آن دارند این است که وقتی ذرات کوچک نور از الیاف شیشه شبکه عبور می کنند، نقص در شیشه باعث افت نور پس از طی مسافت مشخص می شود. بنابراین، محققان در تلاشند تا دستگاه‌هایی بسازند که بتوانند اطلاعات مربوط به ذرات نور را در حین حرکت ضبط و ذخیره کنند، سپس اطلاعات را با ذره‌ای جدید مانند فوتون اکسپرس پونی بازگردانند.

زلدون، یکی از افرادی که روی این تحقیق کار می‌کرد، با پوشیدن دستکش‌های لاتکس بنفش برای جلوگیری از آسیب سطحی به صفحه مدار کوچک حاوی دو تراشه کاربید سیلیکون، آنچه را که او و همکارانش به عنوان راهی برای ذخیره و کنترل کیوبیت‌های کوانتومی آزمایش می‌کردند، انجام داد. اطلاعات بعداً در همان روز، زلدون تراشه‌ها را تا دمای بسیار پایین خنک می‌کرد و آن تراشه‌ها را زیر میکروسکوپ بررسی می‌کرد تا بیت‌های کوانتومی کاشته‌شده در تراشه‌ها را جستجو کند و سپس می‌توانست از امواج مایکروویو آن کیوبیت‌ها برای تبادل اطلاعات با فوتون‌ها استفاده کند.

جو هرمانز، دانشمند Argonne و همکارانش نیز در حال تلاش برای توسعه دستگاه ها و مواد جدید برای کمک به فوتون ها برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل دورتر هستند. او می گوید یکی از مواد امیدوارکننده الماس مصنوعی است.

بودجه فدرال از قانون ابتکار ملی کوانتومی که توسط کنگره تصویب شد و در سال 2018 توسط رئیس جمهور سابق دونالد ترامپ امضا شد، اخیراً به آزمایشگاه کمک کرد تا راکتور دومی را خریداری کند که الماس سریع‌تر رشد می‌کند.

قانون چیپس و علم که در ماه اوت توسط پرزیدنت بایدن امضا شد، حمایت بیشتری از تحقیق و توسعه ارائه می‌کند که به نوبه خود تلاش‌های کوانتومی را تقویت می‌کند.

هرمانز در گوشه ای از آزمایشگاه خود به دستگاه توشیبا مشابه دستگاه دانشگاه شیکاگو اشاره کرد. از آنجا، یک سری سیم های رنگی سیگنال های داخل و خارج از شبکه را تغذیه می کنند که پس از خروج از آزمایشگاه از هر جهت به سمت دانشگاه و آزمایشگاه فرمی عکس گرفته می شود. دانشمندان در بوستون، نیویورک، مریلند و آریزونا روی تخت‌های آزمایش مشابهی آزمایش می‌کنند. شبکه های آزمایشی در هلند، آلمان، سوئیس و چین نیز وجود دارد.

هدف این است که روزی همه این تجربیات را از طریق فیبر و پیوندهای ماهواره ای به اینترنت کوانتومی نوپایی که در سراسر ایالات متحده و در نهایت در جهان گسترش می یابد، متصل کنیم. با رشد شبکه، در حالت ایده آل می توان از آن نه تنها برای ارسال اطلاعات رمزگذاری شده، بلکه برای اتصال رایانه های کوانتومی برای افزایش قدرت پردازش این رایانه ها استفاده کرد، درست مانند کاری که ابر برای رایانه های امروزی انجام می دهد.