سیگنال‌های کوانتومی اکنون با همان اینترنتی که همه داریم، جابه‌جا می‌شوند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در یک آزمایش بی‌نظیر، مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا شبکه کوانتومی را از آزمایشگاه خارج کرده و با استفاده از همان پروتکل اینترنتی (IP) که وب امروزی از آن پشتیبانی می‌کند، روی کابل‌های فیبر نوری تجاری قرار دادند.

 

این کار که در مجله Science گزارش شده است، نشان می‌دهد که سیگنال‌های کوانتومی شکننده می‌توانند روی همان زیرساختی که ترافیک آنلاین روزمره را حمل می‌کند، اجرا شوند. این تیم رویکرد خود را روی شبکه فیبر نوری دانشگاه ورایزن آزمایش کردند.

 

«Q-chip» کوچک تیم پن، داده‌های کوانتومی و کلاسیک را هماهنگ می‌کند و از همه مهم‌تر، به همان زبان وب مدرن صحبت می‌کند. این رویکرد می‌تواند راه را برای «اینترنت کوانتومی» آینده هموار کند، که دانشمندان معتقدند روزی به اندازه طلوع عصر آنلاین، متحول‌کننده خواهد بود.

 

سیگنال‌های کوانتومی به جفت ذرات «درهم‌تنیده» متکی هستند، ذراتی که آنقدر به هم نزدیک هستند که تغییر یکی فوراً روی دیگری تأثیر می‌گذارد. مهار این ویژگی می‌تواند به رایانه‌های کوانتومی اجازه دهد تا قدرت پردازش خود را به هم متصل کرده و به اشتراک بگذارند و پیشرفت‌هایی مانند هوش مصنوعی سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر یا طراحی دارو‌ها و مواد جدید فراتر از دسترس ابررایانه‌های امروزی را ممکن سازد.

 

کار پن برای اولین بار روی فیبر تجاری زنده نشان می‌دهد که یک تراشه نه تنها می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی ارسال کند، بلکه می‌تواند به طور خودکار نویز را اصلاح کند، داده‌های کوانتومی و کلاسیک را در بسته‌های استاندارد به سبک اینترنت دسته‌بندی کند و آنها را با استفاده از همان سیستم آدرس‌دهی و ابزار‌های مدیریتی که دستگاه‌های روزمره را به صورت آنلاین متصل می‌کنند، مسیریابی کند.

 

لیانگ فنگ، استاد علوم و مهندسی مواد (MSE) و مهندسی برق و سیستم‌ها (ESE) و نویسنده ارشد مقاله Science می‌گوید: «با نشان دادن اینکه یک تراشه یکپارچه می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی را در یک شبکه تجاری زنده مانند Verizon مدیریت کند و این کار را با استفاده از همان پروتکل‌هایی که اینترنت کلاسیک را اجرا می‌کنند، انجام دهد، ما گامی کلیدی به سوی آزمایش‌های در مقیاس بزرگتر و یک اینترنت کوانتومی کاربردی برداشته‌ایم.»

 

چالش‌های مقیاس‌پذیری اینترنت کوانتومی

 

اروین شرودینگر، که اصطلاح «درهم‌تنیدگی کوانتومی» را ابداع کرد، این مفهوم را به طور مشهوری به گربه‌ای که در جعبه‌ای پنهان شده است، ربط داد. اگر درب جعبه بسته باشد و جعبه حاوی مواد رادیواکتیو نیز باشد، گربه می‌تواند زنده یا مرده باشد. یک راه برای تفسیر این وضعیت این است که گربه هم زنده و هم مرده است. تنها باز کردن جعبه، وضعیت گربه را تأیید می‌کند.

 

این پارادوکس تقریباً مشابه ماهیت منحصر‌به‌فرد ذرات کوانتومی است. پس از اندازه‌گیری، خواص غیرمعمول خود را از دست می‌دهند، که مقیاس‌بندی یک شبکه کوانتومی را بسیار دشوار می‌کند.

 

رابرت بروبرگ، دانشجوی دکترای ESE و یکی از نویسندگان این مقاله، می‌گوید: «شبکه‌های عادی داده‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند تا آنها را به سمت مقصد نهایی هدایت کنند. با شبکه‌های کاملاً کوانتومی، نمی‌توانید این کار را انجام دهید، زیرا اندازه‌گیری ذرات، حالت کوانتومی را از بین می‌برد.»

 

هماهنگ‌سازی سیگنال‌های کلاسیک و کوانتومی

 

برای غلبه بر این مانع، تیم تحقیقاتی «Q-Chip» (مخفف «اینترنت ترکیبی کوانتومی-کلاسیک توسط فوتونیک») را برای هماهنگ کردن سیگنال‌های «کلاسیک»، متشکل از جریان‌های منظم نور و ذرات کوانتومی، توسعه دادند.

 

ییچی ژانگ، دانشجوی دکترا در MSE و نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «سیگنال کلاسیک درست قبل از سیگنال کوانتومی حرکت می‌کند. این به ما امکان می‌دهد سیگنال کلاسیک را برای مسیریابی اندازه‌گیری کنیم، در حالی که سیگنال کوانتومی دست‌نخورده باقی می‌ماند.»

 

در اصل، سیستم جدید مانند یک راه‌آهن کار می‌کند و لوکوموتیو‌های سبک معمولی را با محموله‌های کوانتومی جفت می‌کند. ژانگ می‌گوید: «بخش اصلی قطار مانند موتور آن عمل می‌کند، در حالی که اطلاعات کوانتومی در محفظه‌های بسته‌شده در پشت آن حرکت می‌کنند.»

 

«شما نمی‌توانید کانتینر‌ها را بدون از بین بردن محتویات داخلشان باز کنید، اما موتور تضمین می‌کند که کل قطار به مقصد مورد نظرش می‌رسد.»

 

از آنجا که هدر کلاسیک قابل اندازه‌گیری است، کل سیستم می‌تواند از همان «IP» یا «پروتکل اینترنت» که ترافیک اینترنت امروزی را کنترل می‌کند، پیروی کند.

 

ژانگ می‌گوید: «با جاسازی اطلاعات کوانتومی در چارچوب IP آشنا، نشان دادیم که اینترنت کوانتومی می‌تواند به معنای واقعی کلمه به همان زبان اینترنت کلاسیک صحبت کند. این سازگاری، کلید مقیاس‌پذیری با استفاده از زیرساخت‌های موجود است.»

 

با بیش از ۱۰۰۰۰۰ مشترک که برای دریافت بینش‌های روزانه به Phys.org متکی هستند، جدیدترین‌های علم، فناوری و فضا را کشف کنید. در خبرنامه رایگان ما ثبت نام کنید و روزانه یا هفتگی از جدیدترین پیشرفت‌ها، نوآوری‌ها و تحقیقات مهم مطلع شوید.

 

تطبیق فناوری کوانتومی با دنیای واقعی

 

یکی از بزرگترین چالش‌های انتقال ذرات کوانتومی در زیرساخت‌های تجاری، تغییرپذیری خطوط انتقال در دنیای واقعی است. برخلاف محیط‌های آزمایشگاهی که می‌توانند شرایط ایده‌آل را حفظ کنند، شبکه‌های تجاری اغلب با تغییرات دما، به لطف آب و هوا، و همچنین ارتعاشات ناشی از فعالیت‌های انسانی مانند ساخت و ساز و حمل و نقل، و البته فعالیت‌های لرزه‌ای، مواجه می‌شوند.

 

برای مقابله با این مشکل، محققان یک روش تصحیح خطا توسعه دادند که از این واقعیت بهره می‌برد که تداخل در هدر کلاسیک، سیگنال کوانتومی را به روشی مشابه تحت تأثیر قرار می‌دهد.

 

فنگ می‌گوید: «از آنجا که می‌توانیم سیگنال کلاسیک را بدون آسیب رساندن به سیگنال کوانتومی اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم بدون اندازه‌گیری سیگنال کوانتومی، اصلاحات لازم برای آن را استنباط کنیم و حالت کوانتومی را حفظ کنیم.»

 

در آزمایش، این سیستم دقت انتقال را بالای ۹۷٪ حفظ کرد، که نشان می‌دهد می‌تواند بر نویز و بی‌ثباتی که معمولاً سیگنال‌های کوانتومی را در خارج از آزمایشگاه از بین می‌برند، غلبه کند؛ و از آنجا که این تراشه از سیلیکون ساخته شده و با استفاده از تکنیک‌های تثبیت‌شده ساخته شده است، می‌توان آن را به صورت انبوه تولید کرد و این امر، رویکرد جدید را به راحتی در مقیاس بزرگ به کار گرفت.

 

فنگ می‌گوید: «شبکه ما فقط یک سرور و یک گره دارد که دو ساختمان را به هم متصل می‌کند و حدود یک کیلومتر کابل فیبر نوری توسط ورایزن بین آنها نصب شده است. اما تنها کاری که برای گسترش شبکه باید انجام دهید، ساخت تراشه‌های بیشتر و اتصال آنها به کابل‌های فیبر نوری موجود در فیلادلفیا است.»

 

آینده اینترنت کوانتومی

 

مانع اصلی برای گسترش شبکه‌های کوانتومی فراتر از یک منطقه شهری این است که سیگنال‌های کوانتومی هنوز نمی‌توانند بدون از بین بردن درهم‌تنیدگی آنها تقویت شوند.

 

در حالی که برخی تیم‌ها نشان داده‌اند که «کلید‌های کوانتومی»، کد‌های ویژه برای ارتباطات فوق امن، می‌توانند مسافت‌های طولانی را از طریق فیبر معمولی طی کنند، این سیستم‌ها از نور منسجم ضعیف برای تولید اعداد تصادفی غیرقابل کپی استفاده می‌کنند، تکنیکی که برای کاربرد‌های امنیتی بسیار مؤثر است، اما برای اتصال پردازنده‌های کوانتومی واقعی کافی نیست.

 

غلبه بر این چالش نیازمند دستگاه‌های جدید است، اما مطالعه‌ی دانشگاه پنسیلوانیا یک گام اولیه‌ی مهم را ارائه می‌دهد: نشان دادن اینکه چگونه یک تراشه می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی را بر روی فیبر تجاری موجود با استفاده از مسیریابی بسته به سبک اینترنت، سوئیچینگ پویا و کاهش خطای درون تراشه که با همان پروتکل‌هایی که شبکه‌های امروزی را مدیریت می‌کنند، کار می‌کنند، اجرا کند.

 

بروبرگ می‌گوید: «این وضعیت مانند روز‌های اولیه اینترنت کلاسیک در دهه ۱۹۹۰ است، زمانی که دانشگاه‌ها برای اولین بار شبکه‌های خود را به هم متصل کردند. این اتفاق دری را به روی تحولاتی گشود که هیچ‌کس نمی‌توانست پیش‌بینی کند. اینترنت کوانتومی نیز همین پتانسیل را دارد.»