آزمایش روی اینترنت کوانتومی که قابل هک کردن نیست

آی‌تی‌من- این کمد که در آزمایشگاه دانشگاه شیکاگو واقع است، حاوی یک قفسه سخت‌افزار است که ذرات کوانتومی را به یک شبکه فیبرنوری شلیک می‌کند.

هدف از این کار نیز استفاده از ریزترین ذرات طبیعت برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات با نوعی رمزنگاری غیرقابل نفوذ و در نهایت، اتصال شبکه‌ای از کامپیوترهای کوانتومی با قدرت محاسباتی بسیار بالاست.

این مجموعه که از آن با نام قفسه تجهیزات LL211A یاد می‌شود، نمونه‌ای از پروژه‌ها در رقابت شدیدی است که بین ایالات متحده، چین و دیگر کشورها برای بهره‌گیری از ویژگی‌های ذرات کوانتومی برای پردازش اطلاعات جریان دارد. فناوری پیشرفته‌ای که می‌تواند مزایای عمده اقتصادی و امنیت ملی را برای کشورهایی که بر آن تسلط دارند، به همراه داشته باشد.

تحقیقات کوانتومی برای آینده اینترنت به قدری مهم است که بودجه جدیدی در آمریکا به آن اختصاص داده شده و در قوانین مختلف از جمله از قانون تراشه‌ها که اخیراً به تصویب رسیده مدنظر قرار گرفته است.

همین هفته گذشته، سه فیزیکدان به دلیل تحقیقات کوانتومی که به هموار کردن راه برای این اینترنت آینده کمک می‌کند، جایزه نوبل را به طور مشترک دریافت کردند.

رایانش کوانتومی هنوز موانع زیادی در پیش‌رو دارد. اما بانک‌ها، شرکت‌های بهداشتی و دیگران شروع به انجام آزمایش‌هایی روی اینترنت کوانتومی کرده‌اند. برخی از صنایع نیز در حال آزمایش رایانه‌های کوانتومی در مراحل اولیه هستند تا ببینند که آیا در نهایت ممکن است مشکلاتی را که رایانه‌های کنونی قادر به رفع آن نیستند، مانند کشف دارو‌های جدید برای درمان بیماری‌های صعب‌العلاج برطرف کنند.

مطالعه فیزیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم آغاز شد، زمانی که دانشمندان کشف کردند که ریزترین اجرام کیهان – اتم‌ها و ذرات زیر اتمی- رفتاری بر خلاف مواد مقیاس بزرگ دارند.

این اکتشافات که اولین انقلاب کوانتومی نامیده می‌شود، منجر به توسعه فناوری‌های جدیدی مانند لیزر و ساعت اتمی شد. اما تحقیقات اکنون دانشمندان را به استفاده بیشتر از قدرت‌های عجیب و غریب جهان کوانتومی نزدیک می‌کند. دیوید آوشالوم، استاد دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو و رهبر تیم کوانتومی، این را دومین انقلاب کوانتومی می‌نامد.

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

ذرات کوانتومی که به آنها بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نیز گفته می‌شود، می‌توانند همزمان به صورت صفر و یک یا در هر موقعیتی بین این دو (که به آن ابرجایگاه یا Superposition گفته می‌شود) وجود داشته باشند و این ویژگی به آنها اجازه می‌دهد اطلاعات را به روش‌های جدیدی پردازش کنند. برخی از فیزیکدانان آنها را با یک سکه در حال چرخش مقایسه می کنند که به طور همزمان هم در حالت شیر است و هم در حالت خط.

بیت‌های کوانتومی همچنین می‌توانند حالت «درهم‌تنیدگی» را نمایش دهند؛ یعنی وضعیتی که دو یا چند ذره به طور جدانشدنی به هم مرتبط هستند و دقیقاً همدیگر را منعکس می‌کنند، حتی زمانی که با فاصله فیزیکی زیاد از هم جدا شوند.

قفسه تجهیزات LL211A به یک شبکه فیبر نوری 124 مایلی متصل می‌شود که از محوطه دانشگاه در جنوب شیکاگو به دو آزمایشگاه ملی آرگون و آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی می‌رسد.

در این تحقیق از فوتون‌ها (ذرات کوانتومی نور) برای ارسال کلیدهای رمزگذاری از طریق شبکه استفاده می‌‌شود. ذرات کوانتومی بسیار آسیب‌پذیر هستند و کوچک‌ترین اختلالی، مانند ارتعاش یا تغییر دما، می‌تواند موجب نقص در عملکرد آنها شود، بنابراین ارسال آنها در فواصل طولانی فرایندی دشوار است.

در کمد زیرزمین دانشگاه، یک قطعه سخت افزار ساخته شده توسط شرکت ژاپنی توشیبا، زوج فوتون‌های درهم تنیده ساطع می‌کند که یکی از هر جفت را از طریق شبکه به آرگون، که 30 مایلی دورتر است، در لمونت، ایلینویز می‌فرستد. یک کلید رمزگذاری نیز روی رشته‌ای از زوج فوتون قرار دارد.

از آنجایی که این زوج فوتون‌ها درهم‌تنیدگی دارند، کاملا با یکدیگر هماهنگند و هنگامی که فوتون‌ها به آرگون می‌رسند، محققان می‌توانند کلید رمزنگاری را استخراج کنند.

به گفته آوشالوم، هر کسی که برای هک کردن کلید تلاش کند، با شکست مواجه خواهد شد، زیرا قوانین مکانیک کوانتومی می‌گوید 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 برای استراق سمع هشدار می‌دهد.

این یکی از دلایلی است که دانشمندان معتقدند این فناوری می‌تواند اینترنت امن را برای بشر به ارمغان بیاورد.

دانشمندان در حال آزمایش با بسترهای مشابه در بوستون، نیویورک، مریلند و آریزونا هستند. شبکه‌های آزمایشی مشابهی نیز در هلند، آلمان، سوئیس و چین وجود دارد.

هدف این است که روزی همه این بسترهای آزمایشی از طریق فیبر و پیوندهای ماهواره‌ای به اینترنت کوانتومی نوپایی که جهان را پوشش می‌دهد، متصل شوند.