برای اولین بار، دانشمندان پیام‌های کوانتومی را در مسافت رکوردشکنی از طریق یک شبکه سنتی ارسال کردند

دانشمندان اطلاعات کوانتومی را در مسافت رکوردشکن 158 مایلی با استفاده از کامپیوترهای معمولی و کابل‌های فیبر نوری ارسال کرده‌اند.

این اولین باری است که ارتباطات کوانتومی منسجم - یک وسیله فوق‌امن برای انتقال داده‌ها - با استفاده از زیرساخت‌های مخابراتی موجود و بدون خنک‌سازی برودتی گران‌قیمت که معمولاً مورد نیاز است، به دست آمده است.

میرکو پیتالگا، فیزیکدان و نویسنده اصلی مطالعه‌ای که روز چهارشنبه در مجله Nature منتشر شد و به تشریح این کار می‌پردازد، گفت: «تجهیزات ما در کنار فیبرهایی که برای ارتباطات منظم استفاده می‌کنیم، دقیقاً در زیر جاده‌ها و ایستگاه‌های قطار دفن شده بودند، کار می‌کردند.»

به گفته چندین فیزیکدان و مهندس که در این مطالعه شرکت نداشتند، ادغام این فناوری در زیرساخت‌های موجود با استفاده از تجهیزات عمدتاً آماده، گامی کلیدی در گسترش دسترسی به ارتباطات کوانتومی و استفاده از آن در رمزگذاری اطلاعات برای انتقال امن‌تر داده‌ها است.

دیوید آوشالوم، استاد فیزیک و مهندسی مولکولی در دانشگاه شیکاگو که در این کار جدید شرکت نداشت، گفت: «این کار تا حدودی به دنیای واقعی نزدیک است که بتوان تصور کرد. این یک نمایش چشمگیر و کاملاً زیبا است.»

اطلاعات دیجیتال کلاسیک از طریق اینترنت در واحدهایی به نام بیت (bit) منتقل می‌شوند که مقادیر ثابتی برابر با 1 یا 0 دارند. در مقابل، اطلاعات کوانتومی در کیوبیت‌ها (qubit) منتقل می‌شوند که می‌توانند چندین مقدار را به طور همزمان ذخیره کنند و ارتباطات کوانتومی را امن‌تر می‌کنند.

پیتالگا و همکارانش در توشیبا اروپا اطلاعات کوانتومی را از کامپیوترهای معمولی متصل به شبکه مخابراتی در مراکز داده در شهرهای کهل و فرانکفورت آلمان ارسال کردند و آنها را از طریق یک آشکارساز در یک مرکز داده سوم تقریباً در نیمه راه بین آنها در کیرشفلد (Kirchfeld) انتقال دادند. این تنظیمات سه‌مکانه، این گروه را قادر ساخت تا مسافتی را که پیام‌ها ارسال می‌شدند را به بیش از 150 مایل افزایش دهند، فاصله‌ای بی‌وقفه که تنها در محیط آزمایشگاهی به دست آمده بود.

آوشالوم گفت، کار در این نوع مسافت‌ها به این معنی است که اطلاعات کوانتومی می‌توانند در سراسر مناطق شهری یا بین شهرهای نزدیک ارسال شوند و آن را برای بیمارستان‌ها، بانک‌ها و سایر مؤسسات که ارتباطات امن برای آنها از اهمیت بالایی برخوردار است، مفید می‌سازد.

گروه‌های دیگری در بریتانیا و ایالات متحده، از جمله محققان در دانشگاه پنسیلوانیا، نیز در حال کار بر روی افزایش مسافت‌های قابل دستیابی توسط ارتباطات کوانتومی هستند.

پیتالگا گفت که کار تیم او برای حل مشکل جلوگیری از دسترسی هکرها به داده‌های حساس بسیار مهم است.

امروزه، صورت‌حساب‌های بانکی، سوابق بهداشتی و سایر داده‌هایی که به‌صورت آنلاین منتقل می‌شوند، با استفاده از کلیدهای رمزگذاری فرموله شده ریاضی محافظت می‌شوند. این کلیدها تنها وسیله برای باز کردن قفل داده‌ها هستند و آنها را از دزدان سایبری در امان نگه می‌دارند. برای کامپیوترهای معمولی، شکستن این کلیدها زمان بسیار زیادی می‌برد، اما کامپیوترهای کوانتومی از عهده این کار برمی‌آیند و با قدرتمندتر شدن آنها، کلیدهای رمزگذاری در برابر حمله آسیب‌پذیر می‌شوند.

پرم کومار، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه نورث‌وسترن (Northwestern University) که در این کار جدید شرکت نداشت، گفت: «هر چیز معناداری که از طریق اینترنت منتقل می‌شود، می‌تواند شنود، ضبط و برای دهه آینده ذخیره شود و سال‌ها بعد رمزگشایی شود. این چیزی است که به آن برداشت اکنون و رمزگشایی بعداً می‌گویند.»

پیتالگا گفت، یکی از راه‌های حل این مشکل، از طریق رمزنگاری کوانتومی است که به جای الگوریتم‌های ریاضی، بر فیزیک مکانیک کوانتومی برای تولید کلیدهای رمزگذاری متکی است.

به گفته آوشالوم، «احتمال اینکه آنها بتوانند یک کلید کوانتومی را مهندسی معکوس کنند، که عددی است که برای رمزگشایی اطلاعات خود به آن نیاز دارید، بسیار کم است.»

اما برای استفاده از کلیدهای رمزگذاری کوانتومی، باید با موفقیت آنها را در فواصل معناداری توزیع کنید، وظیفه‌ای که محققان را برای دهه‌ها در خارج از آزمایشگاه دچار مشکل کرده است.

زیرساخت اینترنت و مخابرات در سراسر جهان مبتنی بر فیبرهای نوری است که پالس‌های نور حاوی فوتون‌ها را حمل می‌کنند. بیت‌های اطلاعات کلاسیک به صورت یک تکانه نور منفرد حامل ده‌ها میلیون فوتون ارسال می‌شوند.

اطلاعات کوانتومی، ذخیره شده در کیوبیت‌ها، در بسته‌ای از یک فوتون منفرد ارسال می‌شود.

تشخیص کارآمد فوتون‌های منفرد معمولاً به آشکارسازهای ابررسانای گران‌قیمت نیاز دارد که صدها هزار دلار هزینه دارند. این حسگرهای با راندمان بالا باید با استفاده از هلیوم مایع، تا دماهای فوق‌العاده پایین زیر 454- درجه فارنهایت به صورت برودتی خنک شوند، که این فناوری را گران و ناسازگار با زیرساخت‌های موجود می‌کند.

پیتالگا و همکارانش در توشیبا با استفاده از آشکارسازهای ارزان‌تر معروف به دیودهای بهمنی نوری (avalanche photodiodes) که تنها هزاران دلار قیمت دارند و می‌توانند در دمای اتاق یا کمی پایین‌تر از آن، مانند تجهیزات اینترنت سنتی امروزی کار کنند، این مشکل را حل کردند.

چنین آشکارسازهایی قبلاً برای ارتباطات کوانتومی منسجم استفاده نشده بودند، زیرا می‌توانند تقریباً یک مرتبه کمتر در تشخیص فوتون‌های منفرد کارآمد باشند و تحت تأثیر چیزی قرار می‌گیرند که به آن اثر پس‌تپش (afterpulse effect) می‌گویند - زمانی که تشخیص فعلی توسط پژواک‌های باقی‌مانده از انتقال قبلی مختل می‌شود. پیتالگا گفت، آشکارسازهای ابررسانا تحت تأثیر پس‌تپش قرار نمی‌گیرند.

برای رفع این اثر در دیودهای نوری عملی‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر، گروه او از دو مجموعه جداگانه از آشکارسازها استفاده کرد، یکی برای خواندن سیگنال و دیگری برای حذف نویز محیطی از آن سیگنال.

پیتالگا گفت، هدف از این تنظیمات این است که ما را یک قدم به اینترنت کوانتومی، با اطلاعات فوق‌العاده امن، نزدیک‌تر کند.

اما با وجود این نوآوری، این فناوری در مقایسه با سیستم‌ها و شبکه‌های رمزگذاری فعلی - در حال حاضر - گران و دشوار است.

آوشالوم گفت: «دیدگاه شخصی من این است که ما رمزگذاری کوانتومی مجموعه‌های داده و شبکه‌های کوانتومی در مقیاس شهری را در عرض یک دهه خواهیم دید.»

برای ارتباط با آیلین وودوارد به [email protected] بنویسید.