شبکه های کوانتومی عناصر مهمی از محاسبات کوانتومی و سیستم های ارتباطی کوانتومی را تشکیل می دهند . شبکه های کوانتومی انتقال اطلاعات بین پردازنده های کوانتومی جدا از هم را به صورت بیت های کوانتوم که کیوبیت نیز نامیده می شوند تسهیل می کنند . پردازنده کوانتوم به کامپیوتر کوانتومی کوچکی گفته می شود که می تواند دروازه های منطقی کوانتومی را روی تعداد معینی از کیوبیت ها انجام دهد . شبکه های کوانتومی مانند شبکه های کلاسیک کار می کنند. تفاوت اصلی این است که شبکه کوانتومی ، مانند محاسبات کوانتومی ، در حل برخی از مشکلات ، مثل مدل سازی سیستم های کوانتومی ، بهتر عمل میکند.

اینترنت کوانتومی چیست؟

اینترنت کوانتومی شبکه ای است که به دستگاه های کوانتومی اجازه می دهد برخی از اطلاعات را در محیطی که قوانین عجیب مکانیک کوانتوم را مهار می کند، تبادل کنند.از لحاظ تئوری، این قابلیت اینترنت کوانتومی، انجام آن با برنامه های وب امروزی غیرممکن است.در دنیای کوانتوم، داده ها را می توان در حالت کیوبیت رمزگذاری کرد، که می تواند در دستگاه های کوانتومی مانند رایانه کوانتومی یا پردازنده کوانتومی ایجاد شود. اینترنت کوانتومی، به زبان ساده، شامل ارسال کیوبیت به شبکه ای از چندین دستگاه کوانتومی است که از نظر فیزیکی جدا شده اند. مهمتر از همه، همه این اتفاقات به لطف خصوصیات مبهم منحصر به فرد در حالات کوانتومی اتفاق می افتد.

اینترنت کوانتومی ممکن است شبیه اینترنت استاندارد باشد. اما ارسال کیوبیت از طریق یک کانال کوانتومی به جای یک کانال کلاسیک، در واقع به معنای استفاده از رفتار ذرات است که در کوچکترین مقیاس خود گرفته می شوند – اصطلاحاً “حالت های کوانتومی”، که باعث لذت و دلهره دانشمندان برای دهه ها شده است.قوانین فیزیک کوانتوم، که زیربنای نحوه انتقال اطلاعات در اینترنت کوانتوم است، چیز ناآشنایی نیست. در واقع، آنها عجیب، ضد شهودی و حتی در بعضی مواقع به ظاهر فوق العاده هستند.بنابراین برای درک چگونگی عملکرد اکوسیستم کوانتومی اینترنت 2.0، ممکن است بخواهید هر آنچه در مورد محاسبات کلاسیک می دانید را فراموش کنید. زیرا اینترنت کوانتومی زیادی یادآور مرورگر وب مورد علاقه شما نخواهد بود.

شبکه های کوانتومی برای محاسبه

محاسبات کوانتومی شبکه ای یا محاسبات کوانتومی توزیع شده  با اتصال چندین پردازنده کوانتومی توسط یک شبکه کوانتومی با ارسال کیوبیت بین آنها کار می کند. انجام این کار یک خوشه محاسباتی کوانتومی ایجاد می کند و در نتیجه پتانسیل محاسبات بیشتری را ایجاد می کند. می توان با متصل کردن کامپیوترهای کمتر قدرتمند به یکدیگر پردازنده های قدرتمند ایجاد کرد. این امر ملزم به اتصال چندین رایانه کلاسیک برای تشکیل یک خوشه رایانه ای در محاسبات کلاسیک است. مانند رایانه های کلاسیک ، این سیستم با افزودن بیشتر رایانه های کوانتومی به شبکه قابل اندازه گیری است. در حال حاضر پردازنده های کوانتومی فقط با فاصله های کوتاه از هم جدا می شوند.

شبکه های کوانتومی برای ارتباطات

در قلمرو ارتباط کوانتومی ، فرد می خواهد کیوبیت ها را از یک پردازنده کوانتومی به پردازنده دیگر در فاصله های طولانی منتقل کند. از این طریق می توان شبکه های کوانتومی محلی را به شبکه اینترنت کوانتومی متصل کرد. یک اینترنت کوانتومی  از برنامه های بسیار زیادی پشتیبانی می کند ، که قدرت خود را از این واقعیت می گیرد که با ایجاد کیوبیت های درهم تنیده کوانتومی ، می تواند اطلاعات را بین پردازنده های کوانتومی از راه دور منتقل کند. اکثر برنامه های اینترنت کوانتومی فقط به پردازنده های کوانتومی بسیار متوسط نیاز دارند. برای اکثر پروتکل های اینترنت کوانتومی ، مثل توزیع کلید کوانتومی در رمزنگاری کوانتومی ، اگر این پردازنده ها توانایی تهیه و اندازه گیری همزمان تنها یک کیوبیت واحد را داشته باشند ، کافی است. این در تضاد با محاسبات کوانتومی است . تنها درصورتی که پردازنده های کوانتومی (ترکیبی) بتوانند به راحتی کیوبیت بیشتری را نسبت به یک رایانه کلاسیک شبیه سازی کنند ، می توانند به کاربردهای جالب توجه برسند . برنامه های اینترنتی کوانتومی فقط به پردازنده های کوچک کوانتومی ، اکثراً فقط به یک کیوبیت واحد نیاز دارند ، زیرا درهم تنیدگی کوانتومی از قبل فقط بین دو کیوبیت قابل تحقق است. یک شبیه سازی از یک سیستم کوانتومی درهم پیچیده بر روی یک رایانه کلاسیک نمی‌تواند به طور همزمان امنیت و سرعت یکسانی را فراهم کند.

بررسی اجمالی عناصر یک شبکه کوانتومی

ساختار پایه ای یک شبکه کوانتومی و به طور کلی اینترنت کوانتومی مانند شبکه کلاسیک می باشد. اول ، گره های پایانی را داریم که در نهایت برنامه ها بر روی آنها اجرا می شوند. این گره های انتهایی پردازنده های کوانتومی حداقل یک کیوبیت می باشند. در برخی از کاربردهای اینترنت کوانتومی به پردازنده های کوانتومی چند کیوبیتی و همچنین حافظه کوانتومی در گره های انتهایی نیاز پیدا میکنیم.

دوم ، برای انتقال دادن کیوبیت ها از گره ای به یک گره ی دیگر ، به خطوط ارتباطی نیاز داریم. به منظور برقراری ارتباط کوانتومی ، می توان از الیاف استاندارد مخابراتی استفاده نمود. برای محاسبات کوانتومی شبکه ای ، که در آن پردازنده های کوانتومی در فواصل کوتاهی به هم متصل می شوند ، طول موج های مختلف بسته به بستر سخت افزاری دقیق پردازنده کوانتومی انتخاب می شوند .

سوم ، برای استفاده‌ی حداکثر از زیرساخت های ارتباطی ، به سوئیچ های نوری نیاز داریم که بتوانند کیوبیت ها را به پردازنده کوانتومی مورد نظر تحویل بدهند. این سوئیچ ها می‌بایست انسجام کوانتومی را حفظ کنند ، که تحقق آنها را بیش از سوئیچ های نوری استاندارد سخت‌تر می کند.

در آخر ، برای انتقال کیوبیت ها در مسافت های طولانیتر به تکرار کوانتومی نیاز است. تکرار کننده ها در بین گره های انتهایی ظاهر می شوند. از آنجا که نمی توان کیوبیت ها را کپی کرد ، تقویت سیگنال کلاسیک امکان پذیر نمی‌باشد. بنا به ضرورت ، یک تکرار کننده کوانتومی کاملاً متفاوت از تکرار کننده کلاسیک کار می کند.

چه نوع اطلاعاتی را می توانیم با کوانتوم مبادله کنیم؟

نکته اصلی در ارتباطات کوانتومی این واقعیت است که کیوبیت ها، که از قوانین اساسی مکانیک کوانتوم استفاده می کنند، بسیار متفاوت با بیت های کلاسیک رفتار می کنند.همانطور که داده ها را کد می کند ، یک بیت کلاسیک فقط می تواند یکی از دو حالت باشد. دقیقاً مانند سوئیچ چراغ باید روشن یا خاموش باشد ، و دقیقاً مانند گربه باید مرده یا زنده باشد ، کمی نیز باید 0 یا 1 باشد.اما کیوبیت اینگونه نیست. در عوض، کیوبیت ها بر هم سوار می شوند: می توانند به طور همزمان 0 و 1 باشند، در یک حالت کوانتومی خاص که در جهان کلاسیک وجود ندارد.

تناقض این است که صرف اندازه گیری یک کیوبیت به معنای اختصاص دادن حالت به آن است. یک کیوبیت اندازه گیری شده به طور خودکار از حالت دوگانه خود سقوط می کند و درست مانند یک بیت کلاسیک به 0 یا 1 سقوط می کند.کل این پدیده ، superposition نامیده می شود و در هسته مکانیک کوانتوم نهفته است.

جای تعجب نیست که نمی توان از کیوبیت ها برای ارسال نوع داده ای که ما با آن آشنا هستیم مانند ایمیل ها و پیام های WhatsApp استفاده کرد. اما رفتار عجیب کیوبیت ها باعث می شود فرصت های عظیمی در برنامه های کاربردی دیگر ایجاد شود.

ارتباطات کوانتومی (ایمن تر)

یکی از جالب ترین راه هایی که محققان ، مجهز به کیوبیت ، در حال کشف آن هستند ، امنیت است.وقتی صحبت از ارتباطات کلاسیک می شود ، بیشتر داده ها با توزیع یک کلید مشترک به فرستنده و گیرنده و سپس استفاده از این کلید مشترک برای رمزگذاری پیام ، ایمن می شوند. سپس گیرنده می تواند از کلید خود برای رمزگشایی داده ها در پایان استفاده کند.امنیت بیشتر ارتباطات کلاسیک امروزه مبتنی بر الگوریتمی برای ایجاد کلیدهایی است که شکستن آن برای هکرها دشوار است، اما غیرممکن نیست. به همین دلیل محققان به دنبال “کوانتوم” ساختن این فرایند ارتباطی هستند. این مفهوم در هسته یک زمینه در حال ظهور امنیت سایبری به نام توزیع کلید کوانتومی (QKD) است.

QKD با رمزگذاری یکی از دو طرف با رمزگذاری کلید رمزنگاری روی کیوبیت ها، بخشی از داده های کلاسیک را رمزگذاری می کند. سپس فرستنده آن کیوبیت ها را به شخص دیگری که کیوبیت ها را اندازه گیری می کند تا مقادیر اصلی را بدست آورد، منتقل می کند.اندازه گیری باعث فروپاشی حالت کیوبیت می شود. اما این مقدار است که در طول فرایند اندازه گیری خوانده می شود که مهم است. کیوبیت، به نوعی، فقط برای انتقال مقدار اصلی وجود دارد.از همه مهمتر ، QKD به این معنی است که می توان فهمید که شخص ثالثی در هنگام انتقال از کیوبیت ها استراق سمع کرده است یا خیر، از آنجا که متجاوز فقط با مشاهده آن باعث فروپاشی کلید می شود.

اگر یک هکر در هر لحظه هنگام ارسال کیوبیت ها را نگاه کند، این امر به طور خودکار وضعیت کیوبیت ها را تغییر می دهد. یک جاسوس به ناچار نشانه ای از شنود را پشت سر می گذارد – به همین دلیل است که رمزنگاران معتقدند QKD “به طور قابل اثباتی” ایمن است.

بنابراین، چرا اینترنت کوانتومی؟

فناوری QKD در مراحل اولیه است. روش “معمول” ایجاد QKD در حال حاضر شامل ارسال کیوبیت ها به روش یک جهته به گیرنده، از طریق کابل های فیبر نوری است. اما آنها به طور قابل توجهی اثربخشی پروتکل را محدود می کنند.کیوبیت ها می توانند به راحتی در یک کابل فیبر نوری گم شده یا پراکنده شوند، این بدان معنی است که سیگنال های کوانتومی بسیار مستعد خطا هستند و برای پیمودن مسافت های طولانی تلاش می کنند. در واقع آزمایشات فعلی محدوده صدها کیلومتر است.یک راهکار دیگر وجود دارد و آن راهی است که زیربنای اینترنت کوانتوم است: استفاده از ویژگی دیگری از کوانتوم به نام درهم تنیدگی، برای برقراری ارتباط بین دو دستگاه.

وقتی دو کیوبیت با هم تعامل داشته و درهم پیچیده می شوند، دارای خصوصیات خاصی هستند که به یکدیگر بستگی دارند. در حالی که کیوبیت ها در یک حالت درهم پیچیده قرار دارند ، هرگونه تغییر در یک ذره در جفت منجر به تغییر در ذره دیگر می شود ، حتی اگر از نظر فیزیکی از هم جدا شوند.بنابراین، وضعیت كوبیت اول را می توان با مشاهده رفتار همتای آن “خواند”. درست است: حتی آلبرت انیشتین همه چیز را “عملی شبح وار از راه دور” خواند.در زمینه ارتباطات کوانتومی، درهم تنیدگی می تواند برخی از اطلاعات را از یک کیوبیت به نیمه دیگر درهم پیچیده خود از راه دور انتقال دهد، بدون اینکه نیازی به کانال فیزیکی باشد که این دو را هنگام انتقال از بین ببرد.

سازگاری چگونه کار می کند؟

مفهوم حمل و نقل از راه دور، به موجب تعریف، فقدان پل ارتباطی شبکه فیزیکی بین دستگاه های ارتباطی است. اما باقی مانده است که در وهله اول باید درهم تنیدگی ایجاد شود و سپس حفظ شود.برای انجام QKD با استفاده از درهم تنیدگی ، ایجاد زیرساخت های مناسب برای ایجاد جفت کیوبیت درهم پیچیده و سپس توزیع آنها بین فرستنده و گیرنده ضروری است. این کانال “teleportation” را ایجاد می کند که می توان کلید رمزنگاری را از طریق آن رد و بدل کرد.

به طور خاص، پس از تولید کیوبیت های درهم پیچیده ، شما باید نیمی از جفت را به گیرنده کلید ارسال کنید. به عنوان مثال یک کیوبیت درهم می تواند از طریق شبکه های فیبر نوری حرکت کند،. اما قادر به حفظ پیچیدگی بیش از حدود 60 مایل نیستند.کیوبیت ها را می توان از طریق ماهواره در فواصل زیادی نیز در هم پیچید، اما پوشاندن سیاره با دستگاه های کوانتومی فضای بیرونی گران است.

بنابراین، هنوز چالشهای مهندسی بزرگی برای ایجاد “شبکه های حمل و نقل” در مقیاس بزرگ وجود دارد که می تواند کیوبیت ها را در سراسر جهان به هم پیوند دهد. هنگامی که شبکه درهم تنیدگی ایجاد شد، جادو می تواند شروع شود: کیوبیت های پیوندی دیگر برای انتقال پیام خود نیازی به عبور از هر نوع زیرساخت فیزیکی ندارند.در حین انتقال ، کلید کوانتومی در واقع برای اشخاص ثالث غیرقابل مشاهده است، رهگیری آن غیرممکن است و با اطمینان “از طریق یک نقطه انتهایی به نقطه دیگر” از طریق “teleport” می شود. این ایده به خوبی در صنایعی که با داده های حساس سروکار دارند مانند بانکداری، خدمات بهداشتی یا ارتباطات هواپیما طنین انداز خواهد شد و این احتمال وجود دارد که دولتهایی که اطلاعات محرمانه ای دارند نیز پذیرنده اولیه این فناوری باشند.

چه چیز دیگری می توان با اینترنت کوانتوم انجام داد؟

“چرا باید با عقده درگیر شد؟” ممکن است بپرسید از این گذشته، محققان می توانند به سادگی راه هایی برای بهبود شکل “معمول” QKD بیابند. به عنوان مثال تكرار كننده هاي كوانتومی می توانند مسير طولانی را در افزايش فاصله ارتباطی در كابل های فيبر نوری افزايش دهند ، بدون اينكه لازم باشد تا آنجا كه درهم كوبيدن كيوبيت ها باشند.

این بدون احتساب پتانسیل عظیمی است که درهم تنیدگی برای برنامه های دیگر می تواند داشته باشد. QKD متداول ترین نمونه ای است که اینترنت کوانتومی می تواند بدست آورد، زیرا در دسترس ترین کاربرد این فناوری است. اما امنیت تنها زمینه ای نیست که موجب تحریک محققان شود.همچنین می توان از شبکه درهم پیچیده ای که برای QKD استفاده می شود، برای ایجاد روشی مطمئن برای ایجاد خوشه های کوانتومی ساخته شده از کیوبیت های درهم پیچیده واقع در دستگاه های مختلف کوانتومی استفاده کرد.

محققان برای اتصال به اینترنت کوانتومی به یک قطعه سخت افزاری کوانتومی به ویژه قدرتمند احتیاج ندارند ، در واقع، حتی یک پردازنده تک کیوبیتی نیز می تواند کار را انجام دهد. اما دانشمندان انتظار دارند كه با بهم پیوند دادن دستگاههای كوانتومی كه تواناییهای محدودی دارند، بتوانند یك ابر رایانه كوانتومی ایجاد كنند تا از همه آنها پیشی بگیرد با اتصال بسیاری از دستگاههای کوانتومی کوچکتر به هم، بنابراین، اینترنت کوانتومی می تواند شروع به حل مشکلاتی کند که دستیابی به آنها در حال حاضر در یک رایانه کوانتومی غیرممکن است. این شامل تسریع در تبادل مقدار زیادی از داده ها و انجام آزمایش های بزرگ سنجش در نجوم، کشف مواد و علوم زندگی است.

به همین دلیل، دانشمندان متقاعد شده اند که ما می توانیم از مزایای اینترنت کوانتومی بهره مند شویم، حتی قبل از اینکه غول های فناوری مانند Google و IBM حتی به برتری کوانتومی دست یابند – لحظه ای که یک رایانه کوانتومی تنها مشکلی را حل می کند که برای یک کامپیوتر کلاسیک قابل حل نیست.پیشرفته ترین رایانه های کوانتومی گوگل و IBM در حال حاضر در حدود 50 کیوبیت قرار دارند که به تنهایی بسیار کمتر از اندازه گیری مورد نیاز برای انجام محاسبات خارق العاده برای حل مشکلاتی است که تحقیقات کوانتومی امیدوار است بتواند آنها را برطرف کند.از طرف دیگر، اتصال چنین دستگاه هایی به یکدیگر از طریق درهم آمیختگی کوانتومی می تواند منجر به ایجاد خوشه هایی به ارزش چندین هزار کیوبیت شود. برای بسیاری از دانشمندان، ایجاد چنین قدرت محاسباتی در واقع هدف نهایی پروژه اینترنت کوانتومی است.

چه کاری نمی توانیم با اینترنت کوانتومی انجام دهیم؟

برای آینده قابل پیش بینی، از اینترنت کوانتومی نمی توان برای تبادل داده ها به روشی که در حال حاضر در لپ تاپ های خود انجام می دهیم استفاده کرد.

تصور یک اینترنت کوانتومی متداول و اصلی به پیش بینی پیشرفت چند دهه (یا بیشتر) فناوری نیاز دارد. بنابراین، همانقدر که دانشمندان آینده اینترنت کوانتومی را در سر می پرورانند، نمی توان بین پروژه فعلی و نحوه مرور روزانه وب، توازن ایجاد کرد.امروزه بسیاری از تحقیقات ارتباطات کوانتومی به کشف چگونگی کدگذاری، فشرده سازی و انتقال اطلاعات به لطف حالات کوانتومی اختصاص یافته است. ایالت های کوانتوم البته به دلیل تراکم فوق العاده معروف هستند و دانشمندان اطمینان دارند که یک گره می تواند داده های زیادی را از راه دور حمل کند.

اما نوع اطلاعاتی که دانشمندان به دنبال ارسال از طریق اینترنت کوانتومی هستند ارتباط چندانی با باز کردن صندوق ورودی و پیمایش از طریق ایمیل ها ندارد. و در حقیقت، جایگزینی اینترنت کلاسیک چیزی نیست که این فناوری در نظر گرفته است.بلکه محققان امیدوارند که اینترنت کوانتومی در کنار اینترنت کلاسیک قرار بگیرد و برای کاربردهای تخصصی تر مورد استفاده قرار گیرد. اینترنت کوانتومی وظایفی را انجام می دهد که می توان سریعتر از آن را در رایانه کوانتومی نسبت به رایانه های کلاسیک انجام داد، یا انجام آنها حتی در بهترین ابر رایانه هایی که امروزه وجود دارد بسیار دشوار است.

برنامه های کاربردی

اینترنت کوانتومی از برنامه های متعددی پشتیبانی می کند که با گره کوانتومی فعال می شوند. به طور کلی ، درهم تنیدگی کوانتومی برای کارهایی که نیاز به هماهنگی ، هماهنگی یا حفظ حریم خصوصی دارند کاملاً مناسب است.

نمونه هایی از این برنامه ها شامل توزیع کلید کوانتومی ، تثبیت ساعت ، پروتکل برای مشکلات سیستم توزیع شده مانند انتخاب رهبر یا توافق نامه بیزانس ، گسترش پایه تلسکوپ ها ، به عنوان همچنین تأیید موقعیت ، شناسایی ایمن و رمزنگاری دو طرفه در مدل ذخیره سر و صدا . اینترنت کوانتومی همچنین امکان دسترسی ایمن به رایانه کوانتومی  در ابر را فراهم می کند. به طور خاص ، یک اینترنت کوانتومی دستگاه های کوانتومی بسیار ساده را قادر می سازد تا به یک کامپیوتر کوانتومی از راه دور متصل شوند به گونه ای که می توان در آنجا محاسبات را انجام داد بدون اینکه کامپیوتر کوانتومی دریابد که این محاسبات در واقع چیست (حالت های کوانتومی ورودی و خروجی بدون اندازه گیری بدون از بین بردن محاسبه ، اما ترکیب مدار مورد استفاده برای محاسبه مشخص خواهد شد).

ارتباطات امن

وقتی صحبت از برقراری ارتباط به هر شکلی می شود ، همیشه بزرگترین مسئله حفظ خصوصی این ارتباطات بوده است.شبکه های کوانتومی امکان ایجاد ، ذخیره و انتقال اطلاعات را فراهم می آورند ، به طور بالقوه “سطحی از حریم خصوصی ، امنیت و نفوذ محاسباتی که دستیابی به آن با اینترنت امروز غیرممکن است” را به دست می آورد.

با استفاده از یک اپراتور کوانتومی که کاربر بر روی یک سیستم اطلاعاتی انتخاب می کند ، اطلاعات را می توان برای گیرنده ارسال کرد بدون اینکه شنونده بتواند به طور دقیق بتواند اطلاعات ارسالی را ضبط کند بدون اینکه فرستنده یا گیرنده از آن مطلع باشد. بر خلاف کلاسیک درباره است که در بیت منتقل شده و اختصاص هر یک از مقدار 0 یا 1، اطلاعات کوانتومی مورد استفاده در شبکه های کوانتومی با استفاده از بیت کوانتومی (کیوبیت)، که می تواند هر دو 0 و 1 ارزش در همان زمان، در یک حالت برهم نهی .  این کار به این دلیل انجام می شود که اگر شنونده ای سعی در گوش دادن به آن داشته باشد ، آنها با گوش دادن اطلاعات را به صورت ناخواسته تغییر می دهند ، در نتیجه دست خود را به سمت افرادی که به آنها حمله می کنند ، می کشند. ثانیاً ، بدون اپراتور کوانتومی مناسب برای رمزگشایی اطلاعات ، آنها اطلاعات ارسالی را خراب می کنند بدون اینکه خودشان بتوانند از آنها استفاده کنند. علاوه بر این ، کیوبیت ها را می توان در مواد مختلفی رمزگذاری کرد ، از جمله در قطب بندی فوتون ها یا حالت چرخش الکترون ها .