اینترنت کوانتومی؛ آینده اینترنت اشیا را در دست می‌گیرد
اینترنت کوانتومی اینترنتی است که به جای استفاده از امواج رادیویی از انتقال کوانتوم ها استفاده می کند. این اتفاق نه تنها در اینترنت اشیا رخ می دهد بلکه پیش بینی می‌شود در آینده نه چندان دور شاهد نسل جدیدی از ارتباط اینترنتی از نوع کوانتومی باشیم که به صورت هیبریدی، اینترنت اشیا را به مراحل کامل تری برساند.
در پژوهشی که به تازگی در مؤسسه تحقیقات علوم فتونیک در اسپانیا صورت گرفته است، نوعی شبکه کوانتمی ابتدایی هیبرید، ابداع شده است که برای اولین بار ارتباط کوانتومی-فوتونیکی را بین دو نود یا گره کوانتومی متفاوت در دو آزمایشگاه مختلف به کمک یک تک فوتون به عنوان ذره حامل داده‌ها برقرار نمود.
امروزه شبکه‌های اطلاعاتی کوانتومی در حال تبدیل شدن به یک تکنولوژی نوین هستند که قابلیت‌های کاملاً جدیدی را برای پردازش اطلاعات و ارتباطات فراهم می‌آورند. پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که انقلاب شبکه کوانتومی ممکن است چندان دور از دسترس هم نباشند.
عناصر کلیدی شبکه اطلاعات کوانتومی متشکل از گره‌های کوانتومی هستند که اطلاعات را ذخیره و پردازش می کنند و شامل سیستم‌های ماده مانند گازهای اتمی سرد، مواد جامد یا ذرات رد و بدل‌کننده اطلاعات می شوند که اغلب از فوتون‌ها ساخته شده اند. در حالی که به نظر می‌رسد فوتون‌ها حامل‌های کاملی برای اطلاعات باشند، هنوز در مورد این که چه سیستمی از موادی می تواند به عنوان گره شبکه استفاده می شود، اطمینان دقیقی وجود ندارد، زیرا هر سیستمی، کارکردهای خود را دارد. بنابراین، پیشنهاد می شود شبکه ای ترکیبی یا دورگه پیاده سازی شود و به همین منظور جستجو برای ترکیب بهترین قابلیت‌های سیستم‌های مختلف مواد ادامه دارد.
مطالعات گذشته انتقال داده‌های کوانتومی را به گونه‌ای قابل اعتماد بین گره‌های یکسان ثبت کرده‌اند، اما این اولین بار است که با یک شبکه، «ترکیبی» از گره‌ها به دست آمده است. محققان موسسه تحقیقات علوم فتونیک توانستند به راه حلی برای عملیاتی کردن یک شبکه کوانتومی هیبرید دست بیابند و بر چالش انتقال قابل اعتماد حالت‌های کوانتومی بین گره‌های مختلف به کمک یک تک فوتون فائق آیند. یک تک فوتون باید بتواند در یک محیط بدون اختلال با گره‌های ناهمگن یا سیستم‌های ماده (که عموما در طول موج‌ها و پهنای باندی مختلف فعال هستند) با قدرت بالا کارکرد داشته باشد.
نیکلاس مارینگ از محققان این پژوهش می‌گوید: آنچه ما متوجه شدیم این بود که گویی گره‌ها با دو زبان مختلف صحبت می‌کنند. به منظور ارتباط آنها، لازم است که خواص تک فوتون را دستخوش تغییر سازیم تا بتواند تمام اطلاعات را بین این گره‌های مختلف انتقال دهد.
وقتی اینترنت کوانتومی مشکل را حل می‌کند
در این پژوهش محققان محققان موسسه تحقیقات علوم فتونیک از دو گره کوانتومی متمایز استفاده کردند؛ گره انتشار دهنده که ابری از اتم‌های روبیدیم بود و به وسیله لیزر خنک می‌شد وگره دریافتکننده که یک کریستال بود که با کمک یون‌های پراسئودیمیوم تیمار گشته بود. از گاز سرد، یک بیت کوانتمی یا کیبیت، تهیه شد که اطلاعات آن در یک تک فوتون با پهنای باندی بسیار کم و طول موج 780 نانومتر رمزنگاری گردید. محققان در قدم بعدی، فوتون را به طول موج رد و بدل داده‌ها در 1552 نانومتر بدل ساختند، هدف این بود که نشان داده شود این شبکه می‌تواند به صورت کامل به گونه‌ای سازگار با دامنه باند سی مخابراتی امروزی کارایی داشته باشد.
در مرحله بعد، این داده به کمک فیبر نوری از یک آزمایشگاه به دیگری ارسال شد. زمانی که اطلاعات به آزمایشگاه دوم رسید، طول موج فوتون به 606 نانومتر تغییر یافت تا بتواند به صورت دقیق و مناسب با گره کریستالی دریافتکننده برهمکنش داشته باشد و بیت کوانتمی را منتقل سازد. کیبیت فوتونی برای 5/2 میکروثانیه در کریستال ذخیره شد و داده‌های آن با اطمینال بسیار بالایی دریافت گردید.
نتایج این مطالعه نشان داده که دو سیستم کوانتمی بسیار متفاوت می‌توانند با یکدیگر مرتبط گردند و با واسطه یک تک فوتون تبادل داده داشته باشند. استاد موسسه تحقیقات علوم فتونیک، دکتر هوگو دوریدماتن می‌گوید:
وجود امکان ارتباط بین گره‌های کوانتمی با کارکرد و ویژگی‌های بسیار متفاوت و همچنین انتقال بیت‌های کوانتمی به وسیله تک فوتون‌ها بین آنها نقطه عطفی در توسعه شبکه‌های ترکیبی یا دو رگه به حساب می‌آید.
وجود قابلیت تبدیل و بازتبدیل کیبیت‌های فوتونی در طول موج باند سی نشان می‌دهد که این سیستم‌ها با شبکه‌های مخابراتی امروزی سازگاری کامل دارند.
مزایای شبکه داده کوانتومی در مقایسه با انواع متداول
شبکه داده‌ها به صورت کلاسیک خود یا همان «وب جهانی» در دهه 80 میلادی توسعه داده شد. اساس کار در این شبکه، جریان اطلاعات به وسیله بیت‌ها است که پردازش آنها توسط مدارهای الکترونیکی و تراشه‌‌ها صورت می‌گیرد و پالس‌های نور که اطلاعات را از درون شبکه با حداقل تلفات سیگنال به کمک فیبر نوری منتقل می‌کنند.
اکنون، به جای استفاده از بیت‌های کلاسیک، شبکه‌های اطلاعات کوانتومی (یا اینترنت کوانتومی) اطلاعات کوانتومی را با کمک کیبیت‌ها پردازش و ذخیره‌سازی می‌کنند. در حالی که بیت ها می‌توانند 0 و 1 باشد، کیبیت‌ها می‌توانند علاوه بر صفر و یک بین این دو هم باشند. در یک شبکه کوانتومی، آنها توسط سیستم‌های ماده کوانتومی تولید و پردازش می شوند، به عنوان مثال گازهای اتمی سرد، مواد جامد و یا دیگر سیستم‌ها. برخلاف شبکه‌های کلاسیک، اطلاعات کوانتومی بین گره‌ها با استفاده از تک فوتون‌ها به جای پالس‌های نور قوی انتقال می‌یابد.
شبکه های اطلاعات کوانتومی (شامل گره‌های کوانتومی ماده و کانال‌های ارتباطی کوانتومی) مسیر جدیدی را در استفاده از فن‌آوری‌‌ها می‌گشایند. به عنوان مثال، انتقال داده‌ها به صورت کاملاً امن، پردازش داده‌های پیشرفته از طریق محاسبات کوانتومی توزیع شده یا برنامه‌های پیشرفته هماهنگ سازی ساعت و غیره.
مترجم: بابک جمالی