شبکه‌ کوانتومی چیست؟

در چند سال گذشته پیشرفت‌­های عظیمی در حوزه علم اطلاعات کوانتومی(Information Quantum Science)  و شبکه‌ کوانتومی صورت پذیرفته است.

از الگوریتم­‌های کوانتومی که رمزنگاری کلید عمومی (Public Key Cryptography) را دچار مخاطره جدی کرده‌اند تا توسعه­‌ی پروتکلی برای دورفرستی (Teleportation) حالات کوانتومی ( از یک ذره به ذره دیگر) مثال­هایی در این زمینه­‌اند.

یکی از مباحث جالب در این علم حوزه­‌ی شبکه­‌های کوانتومی است که جزیی اساسی از محاسبات کوانتومی(Quantum Computing) و سیستم‌­های ارتباطات کوانتومی (Quantum Communication System) به شمار می‌روند.

در یک شبکه­ کوانتومی اطلاعاتی که به شکل کوانتوم بیت ( یا به اصلاح کیوبیت – Qubit) هستند در میان شماری از پردازنده‌­های کوانتومی (Quantum Processor) مجزا از هم انتقال ( و تبادل) می­یابند.

مفهوم کیوبیت از اصل برهمنه‌ی کوانتومی (Quantum Superposition) نشأت می­‌گیرد. برخلاف منطق دودویی که بنیان کامپیوترهای کنونی را تشکیل می‌دهد (یعنی هر بیت می‌تواند یا صفر  باشد یا یک)، برهمنه‌ی کوانتومی به این معنا است که یک کیوبیت در آن واحد می‌تواند دو مقدار صفر یا یک را با هم داشته باشد.

برهمنه‌ی کوانتومی

برهمنه‌ی کوانتومی موضوع بسیار جالب و در عین حال عجیبی در شبکه‌های کوانتومی است که از مکانیک کوانتوم الهام (Quantum Mechanics)گرفته شده است.

طبق این مفهوم، به نظر می‌رسد که ذرات در آن واحد در چند جای مختلف وجود دارند یکی از راه‌های ممکن برای اینکه درک کنیم یک کیوبیت چگونه می‌تواند در آن واحد در چند مکان مختلف وجود داشته باشد این است که تصور کنیم هر کیوبیت دارای دو یا بیش از دو بعد است.

بر این اساس هرکدام از بعدها می‌توانند پایین (منطق ۰) و بالا (منطق ۱) باشند. از این‌رو یک کوبیت دو بعدی می‌تواند در آن واحد دارای چهار حالت مستقل (۱۱-۱۰-۰۱-۰۰) باشد.

حال اگر کوبیت مثلأ دارای ۵ بعد باشد ۳۲ حالت ممکن مستقل بین ۰۰۰۰۰ و ۱۱۱۱۱ وجود خواهد داشت که این وضعیت توان ذخیره‌سازی داده را به نحوی شگرف افزایش می‌دهد.

یک پردازنده‌­­ی کوانتومی  در واقع یک کامپیوتر کوانتومی کوچک است که می‌تواند روی تعداد مشخصی از کیوبیت­‌ها (عملگرهای) گیت­‌های منطقی کوانتومی (logical gate operator) را اجرا کند.

نحوه‌­ی کار شبکه‌­های کوانتومی شبیه شبکه‌­های کلاسیک است ( از حیث معماری) و تفاوت اصلی در این است که مشابه با محاسبات کوانتومی، شبکه­‌های کوانتومی برای حل مسایل مشخصی نظیر مدل­‌سازی سیستم­های کوانتومی، ارتقای سطح امنیت ، انتقال حجم وسیعی از اطلاعات و غیره از عملکرد بسیار بهتری برخوردارند.

چهاربخش معماری شبکه‌های کوانتومی

معماری اصلی شبکه‌های کوانتومی و عمومأ اینترنت کوانتومی را می توان در چهار بخش بررسی کرد.

اول اینکه ما یکسری گره پایانی (End Node) داریم که برنامه­‌های کاربردی ( اپلیکشن­ها) روی آن­ها اجرا می­‌شود. این گره­‌های پایانی در واقع پردازنده­‌های کوانتومی حداقل یک کیوبیتی هستند. برخی از کاربردهای یک اینترنت کوانتومی مستلزم استقرار پردازنده‌­های چند کیوبیتی و همچنین حافظه­‌ی کوانتومی (Quantum Memory) در گره­‌های پایانی است.

دوم اینکه برای انتقال کیوبیت‌­هایی از یک گره به گره دیگر، ما به خطوط ارتباطی نیازمندیم.  برای این هدف می‌­توان  از فیبرهای مخابراتی استاندارد استفاده کرد. ( در این حالت)  برای محاسبات کوانتومی شبکه‌­ای که در آن پردازنده­‌های کوانتومی در فواصل کوتاهی به هم متصل  باشند، بسته به پلتفرم سخت­‌افزای پردازنده‌­های کوانتومی ، از طول موج‌­های مختلفی می­‌توان استفاده کرد.

مرتبط : چرا سیلیکون ولی دیگر جذاب نیست؟

سوم اینکه، برای حداکثر بهره­‌گیری از زیرساخت‌­های ارتباطی، به سویچ­ نوری (Optical Switch) نیاز است که بتواند کیوبیت­‌ها را به پردازنده‌­ی کوانتومی مدنظر سوییچ( ارسال)  کنند.

این سوییچ‌­ها لازم است تا هم‌دوسی کوانتومی (Quantum Coherence) را حفظ کنند و دچار ناهم‌دوسی کوانتومی (Quantum Decoherence) نشوند (که) در قیاس با سوییچ‌­های نوری استاندارد، این وضعیت چالش بسیار جدی را برای ساخت این سوییچ ­ها فراهم می­کند.

ناهم دوسی کوانتومی به این حقیقت اشاره دارد که با توجه به طبیعت مکانیک کوانتومی، در صورتی که ذرات با جداره‌هایی که آنها را در بر می‌گیرند برخورد داشته باشند تمام اطلاعات ذخیره شده روی آنها از بین خواهد رفت و سیستم شبکه‌های کوانتومی دچار ناهمدوسی کوانتومی می­شود.

در نهایت ، این شبکه  به یک تکرارگر کوانتومی  (Quantum Repeater) برای انتقال کیوبیت ­ها در فواصل طولانی نیاز دارد. یک تکرارگر در واقع تجهیزی الکترونیکی است که سیگنالی را دریافت کرده و آن را با سطح دامنه بالاتر و انرژی به سمت دیگری ارسال می‌کند.

بدین ترتیب می‌توان سیگنال را بدون کاستی به فواصل دورتری فرستاد تا مناطق بیشتری را پوشش دهد. این تکرارگرها در بین گره­های انتهایی قرار دارند. از آنجایی چون کیوبیت­ها را نمی­توان کپی کرد، روش­های کلاسیک تقویت سیگنال به هیچ وجه امکان پذیر نیستند. بنابراین یک تکرارگر کوانتومی دارای شیوه­‌ی کاری اساسأ متفاوتی از تکرارگرهای کلاسیک است.

از این نویسنده : کامپیوترهای کوانتومی چیست؟

منابع:

Kimble HJ. The quantum internet. Nature. 2008 Jun 18;453(7198):1023.

Pirandola S, Braunstein SL. Unite to build a quantum internet. Nature. 2016 Apr 14:169-71.

Elliott C. Building the quantum network. New Journal of Physics. 2002 Jul 12;4(1):46.