آزمایش اینترنت کوانتومی غیرقابل هک در زیرزمین

فرارو- پژوهش کوانتومی در آزمایشگاه دانشگاه شیکاگو می‌تواند به جلوگیری از هک شدن و اتصال وب ابر رایانه‌های آینده کمک کند.

به گزارش فرارو به نقل از واشنگتن پست، راز یک اینترنت امن‌تر و قوی‌تر که هک کردن آن به طور بالقوه ناممکن باشد ممکن است در پستوی یک زیرزمین نهفته باشد. این زیرزمین کوچک با عرض ۹۱ سانتی متر در بخش آزمایشگاهی دانشگاه شیکاگو حاوی قفسه‌ای باریک از سخت‌افزار است که ذرات کوانتومی را با احتیاط به یک شبکه فیبر نوری شلیک می‌کند. هدف از این کار چیست؟ استفاده از کوچک‌ترین اشیای طبیعت برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات تحت رمزگذاری که شکسته نمی‌شوند و در نهایت برای اتصال شبکه‌ای از رایانه‌های کوانتومی که قادر به محاسبات هرکولی یا غول پیکر هستند.

ایالات متحده، چین و سایرین در حال رقابت برای استفاده از ویژگی‌های عجیب ذرات کوانتومی به منظور پردازش اطلاعات به روش‌های جدید قدرتمند هستند. فناوری‌ای که می‌تواند مزایای عمده اقتصادی و امنیت ملی را برای کشورهایی که بر آن تسلط دارند به همراه داشته باشد.

پژوهش‌های کوانتومی به اندازه‌ای برای آینده اینترنت اهمیت دارند که بودجه فدرال تازه‌ای از جمله بودجه تعیین شده در قانون تازه تصویب شده تراشه‌ها و علم را دریافت می‌کند. این بدان خاطر است که اینترنت کوانتومی می‌تواند از تراکنش‌های مالی و داده‌های مراقبت‌های بهداشتی محافظت کند، از سرقت هویت جلوگیری کرده و هکرهای دولت متخاصم را متوقف نماید.

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

پژوهش‌های کوانتومی هنوز موانع زیادی برای غلبه بر استفاده گسترده پیش روی خود دارند. با این وجود، بانک ها، شرکت‌های مراقبت‌های بهداشتی و دیگر بخش‌ها شروع به انجام آزمایش‌هایی روی اینترنت کوانتومی کرده اند. برخی از صنایع نیز در حال دستکاری با 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 سازند یا خیر.

«گرانت اسمیت» دانشجوی کارشناسی ارشد در تیم پژوهشی دانشگاه شیکاگو می‌گوید که تصور همه کاربردهای بالقوه خیلی زود است. او در جریان بازدید اخیر از آزمایشگاه‌های دانشگاه گفت: «زمانی که افراد برای اولین بار اینترنت‌های ابتدایی را ایجاد کردند که رایانه‌های سطح پژوهش و دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های ملی را به یکدیگر متصل می‌کرد نمی‌توانستند تجارت الکترونیک را پیش بینی کنند».

مطالعه فیزیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم آغاز شد زمانی که دانشمندان کشف کردند ریزترین اجرام کیهان اتم‌ها و ذرات زیر اتمی رفتاری بر خلاف ماده در جهان در مقیاس بزرگ دارند مانند این که به نظر می‌رسد که در چندین مکان در یک زمان قرار دارند.

این اکتشافات که اولین «انقلاب کوانتومی» نامیده می‌شوند منجر به ظهور فناوری‌های تازه‌ای مانند لیزر و ساعت اتمی شدند. با این وجود، پژوهش‌های فعلی 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. او می‌گوید که این رشته «در تلاش است تا روشی را مهندسی کند که طبیعت در اساسی‌ترین سطح خود با جهان ما رفتار می‌کند و از این رفتارها برای فناوری‌ها و برنامه‌های جدید استفاده کند».

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

ذرات کوانتومی که به بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نیز شهرت دارند می‌توانند همزمان به صورت صفر و یک یا در هر موقعیت انعطاف پذیری به نام «ابر جایگاه» وجود داشته باشند که به آن ذرات اجازه می‌دهد اطلاعات را به روش‌های جدیدی پردازش کنند. برخی از فیزیکدانان آن را با یک سکه در حال چرخش مقایسه می‌کنند که به طور همزمان در حالت سر و دم قرار دارد. هم چنین، بیت‌های کوانتومی می‌توانند درهم تنیدگی‌ای را نشان دهند که در آن دو یا چند ذره به طور جدانشدنی به هم مرتبط هستند و دقیقا یکدیگر را بازتاب می‌دهند حتی زمانی که با فاصله فیزیکی زیاد از یکدیگر جدا شوند. آلبرت انیشتین این اقدام را «عمل شبح‌وار از راه دور» نامید.

سخت‌افزار در پستوی زیرزمین به یک شبکه فیبر نوری ۱۹۹ کیلومتری متصل می‌شود که از محوطه دانشگاه در سمت جنوبی شیکاگو به دو آزمایشگاه تامین شده با بوده فدرال در حومه غریی که در این‌پژوه همکاری می‌کنند یعنی آزمایشگاه ملی آرگون و آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فِرمی متصل می‌شود.

این تیم از فوتون‌ها استفاده می‌کنند که ذرات کوانتومی نور هستند و برای ارسال کلیدهای رمزگذاری از طریق شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرند تا مشاهده شود که چگونه از فیبرهایی عبور می‌کنند که از زیر بزرگراه ها، پل‌ها و باجه‌های عوارض می‌گذرند. ذرات کوانتومی بسیار ظریف هستند و بر اثر کوچک‌ترین اختلالی مانند ارتعاش یا تغییر دما تمایل به نقص در عملکرد دارند. بنابراین، فرستادن آن ذرات به فواصل طولانی و واقعی دشوار است.

در زیرزمین دانشگاه یک قطعه سخت‌افزار ساخته شده توسط شرکت ژاپنی توشیبا جفت فوتون‌های درهم تنیده را ساطع می‌کند و یکی از هر جفت را از طریق شبکه به آرگون که ۴۸ کیلومتر دورتر است در لمونت می‌فرستد. یک کلید رمزگذاری روی رشته‌ای از جفت فوتون‌ها کدگذاری می‌شود.

از آنجایی که جفت‌ها در هم پیچیده هستند کاملا با یکدیگر هماهنگ می‌باشند. آوشالوم می‌گوید: «به یک معنا شما می‌توانید آن را به عنوان یک قطعه از اطلاعات مشاهده کنید». هنگامی که فوتون‌های به اصطلاح سفر کرده به آرگون می‌رسند دانشمندان آنجا فوتون‌ها را اندازه گیری کرده و کلید را استخراج می‌کنند. آوشالوم می‌گوید هر فردی که برای هک کردن کلید تلاش کند با شکست مواجه خواهد شد زیرا قوانین مکانیک کوانتومی می‌گویند 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. هم چنین، به فرستنده و گیرنده در مورد تلاش برای استراق سمع هشدار می‌دهد.

«استیون گیروین» استاد فیزیک در دانشگاه ییل در مورد اکتشافات اخیر در فناوری کوانتومی می‌گوید: «مشکلات فنی بزرگی وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد. با این وجود، شما می‌توانید استدلال کنید که این می‌تواند به اندازه انقلاب فناوری قرن بیستم که لیزر، ترانزیستور و ساعت اتمی و در نتیجه جی پی اس و اینترنت را به ما عرضه کرد مهم باشد».

یکی از مشکلاتی که آنان سعی می‌کنند آن را رفع نمایند این است که همان طور که ذرات ریز نور از طریق الیاف شیشه‌ای شبکه عبور می‌کنند نقص در شیشه باعث می‌شود نور پس از طی مسافت مشخصی کاهش یابد. بنابراین، پژوهشگران در تلاش هستند تا دستگاه‌هایی بسازند که بتوانند اطلاعات ذرات نور را در حین حرکت آن ذرات گرفته و ذخیره کنند و سپس دوباره اطلاعات را با ذره‌ای تازه به جلو بفرستند مانند پونی اکسپرس فوتونی.

زلدون یکی از افراد مشغول کار در این پژوهش با پوشیدن دستکش‌های لاتکس بنفش برای جلوگیری از آسیب رساندن به سطح یک بُرد مدار کوچک حاوی دو تراشه کاربید سیلیکون را که او و همکاران‌اش به عنوان وسیله‌ای برای ذخیره و کنترل اطلاعات بیت‌های کوانتومی آزمایش می‌کنند در دست گرفت. سپس در همان روز زلدون قصد داشت تراشه‌ها را تا دمای بسیار پایین خنک کند و آن تراشه‌ها را زیر میکروسکوپ بررسی کند تا به دنبال بیت‌های کوانتومی که در تراشه‌ها کاشته شده بود باشد و سپس می‌توانست آن بیت‌های کوانتومی را با امواج مایکروویو برای تبادل اطلاعات با فوتون‌ها دستکاری کند.

«جو هرمانز» دانشمندی از آرگون و همکاران‌اش نیز در تلاش هستند تا دستگاه‌ها و مواد جدیدی را برای کمک به فوتون‌ها برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل دورتر توسعه دهند. او می‌گوید که الماس مصنوعی یکی از موادی است که نویدبخش است.

بودجه فدرال از قانون ابتکار کوانتومی ملی که توسط کنگره تصویب شد و در سال ۲۰۱۸ میلادی توسط «دونالد ترامپ» رئیس جمهور پیشین امضا شد اخیرا به آزمایشگاه کمک کرد تا راکتور دومی را خریداری کند که الماس‌ها را سریع‌تر رشد می‌دهد.

قانون تراشه و علم که در ماه آگوست توسط بایدن رئیس جمهور امریکا امضا شد حمایت بیشتری برای تحقیق و توسعه فراهم می‌کند که خود باعث تقویت تلاش‌های کوانتومی می‌شود.

هرمانز در گوشه‌ای از آزمایشگاه خود به دستگاه توشیبا اشاره کرد که مشابه دستگاه دانشگاه شیکاگو بود. از آنجا مجموعه‌ای از سیم‌های رنگارنگ سیگنال‌هایی را به شبکه می‌رسانند و از آن خارج می‌شوند که پس از خروج از آزمایشگاه در هر جهت به سوی دانشگاه و آزمایشگاه فِرمی شلیک می‌شوند. دانشمندان در حال آزمایش با بسترهای آزمایشی مشابه در بوستون، نیویورک، مریلند و آریزونا هستند. شبکه‌های آزمایشی نیز در هلند، آلمان، سوئیس و چین وجود دارند.

هدف آن است که روزی تمام این بسترهای آزمایشی را از طریق فیبر و پیوندهای ماهواره‌ای به اینترنت کوانتومی نوپایی که ایالات متحده و در نهایت جهان را پوشش می‌دهد متصل کنیم. همان طور که شبکه رشد می‌کند به طور ایده آل می‌تواند نه تنها برای ارسال اطلاعات رمزگذاری شده بلکه برای اتصال رایانه‌های کوانتومی به منظور افزایش قدرت پردازش آن رایانه‌ها نیز مورد استفاده قرار گیرد همان کاری که ابر برای رایانه‌های فعلی انجام می‌دهد.