مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا با استفاده از تراشه Q-Chip و کابل‌های فیبر نوری موجود، موفق به انتقال سیگنال‌های کوانتومی در کنار سیگنال‌های اینترنتی استاندارد در محیط شهری شدند. این پیشرفت، که در نشریه Science منتشر شده، نشان می‌دهد اینترنت کوانتومی دیگر یک نظریه نیست و می‌تواند با زیرساخت‌های کنونی اینترنت ادغام شود. در این مقاله از آی تی پالس، جزئیات این فناوری، عملکرد Q-Chip، و پیامدهای آن را با استناد به گزارش Tom’s Hardware و واکنش‌های کاربران در X بررسی می‌کنیم.
اینترنت کوانتومی: چالش‌ها و راه‌حل‌ها
چالش‌های انتقال سیگنال‌های کوانتومی
- حساسیت کیوبیت‌ها: کیوبیت‌ها (واحدهای اطلاعات کوانتومی) به دلیل درهم‌تنیدگی کوانتومی، همزمان می‌توانند حالت‌های 0، 1 یا ترکیبی از آن‌ها را نشان دهند. اما اندازه‌گیری مستقیم آن‌ها باعث فروپاشی حالت کوانتومی و از بین رفتن اطلاعات می‌شود.
- نویز شبکه: سیگنال‌های کوانتومی در شبکه‌های پرترافیک اینترنتی به دلیل نویز و تداخل به‌راحتی تخریب می‌شوند.
- محدودیت فاصله: برخلاف سیگنال‌های کلاسیک که با تقویت‌کننده‌ها (repeaters) تقویت می‌شوند، کیوبیت‌ها به دلیل قضیه عدم کلونینگ قابل کپی یا تقویت نیستند.
نقش تراشه Q-Chip
Q-Chip (مخفف Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics) کلید این دستاورد است:
- ادغام سیگنال‌ها: سیگنال‌های کوانتومی و کلاسیک را در یک بسته ترکیب می‌کند، جایی که سیگنال کلاسیک به‌عنوان هدر مسیریابی عمل کرده و سیگنال کوانتومی به‌عنوان محموله بدون اندازه‌گیری منتقل می‌شود.
- اصلاح نویز خودکار: با استفاده از سیگنال کلاسیک به‌عنوان مرجع، نویز را بدون تأثیر بر کیوبیت‌ها تصحیح می‌کند.
- ابعاد کوچک: این تراشه سیلیکونی روی شبکه‌های فیبر نوری تجاری (مانند شبکه Verizon) آزمایش شده و عملکرد پایداری ارائه می‌دهد.
لیانگ فنگ، نویسنده ارشد: «Q-Chip امکان مدیریت سیگنال‌های کوانتومی را با پروتکل‌های استاندارد IP در شبکه‌های تجاری فراهم می‌کند و گامی کلیدی به‌سوی اینترنت کوانتومی عملی است.»
نحوه عملکرد Q-Chip
- ترکیب سیگنال‌ها: سیگنال کلاسیک (نور معمولی) به‌عنوان هدر برای مسیریابی عمل می‌کند، درحالی‌که سیگنال کوانتومی (کیوبیت‌ها) به‌صورت محافظت‌شده منتقل می‌شود.
- انتقال در فیبر نوری: هر دو سیگنال از طریق کابل‌های فیبر نوری موجود در شبکه‌های شهری ارسال می‌شوند.
- تصحیح نویز: Q-Chip با تحلیل تغییرات سیگنال کلاسیک (ناشی از نویز محیطی مانند دما یا لرزش)، سیگنال کوانتومی را به‌صورت غیرمستقیم تصحیح می‌کند.
- حفظ درهم‌تنیدگی: این روش از فروپاشی حالت کوانتومی جلوگیری کرده و امکان انتقال کیوبیت‌ها را فراهم می‌کند.
مثال: مشابه یک قطار که لوکوموتیو (سیگنال کلاسیک) محموله حساس (سیگنال کوانتومی) را بدون باز شدن جعبه حمل می‌کند.
آزمایش و نتایج
- محیط آزمایش: شبکه فیبر نوری Verizon در فیلادلفیا، که یک محیط شهری واقعی با نویز، تغییرات دما، و ترافیک بالای داده را شبیه‌سازی می‌کند.
- نتایج: انتقال موفق سیگنال‌های کوانتومی در کنار سیگنال‌های IP استاندارد بدون از دست دادن درهم‌تنیدگی.
- دقت مسیریابی: دقت 91.6٪ تا 97.1٪ بسته به پیچیدگی شبکه، با حفظ وفاداری کوانتومی 97٪ با فعال بودن تصحیح نویز (در مقایسه با 59٪ بدون تصحیح).
اهمیت و کاربردها
مزایا
- استفاده از زیرساخت موجود: نیازی به ساخت شبکه‌های فیبر نوری اختصاصی نیست، که هزینه‌ها را به شدت کاهش می‌دهد.
- امنیت بالا: درهم‌تنیدگی کوانتومی امکان تشخیص شنود را فراهم می‌کند، که برای رمزنگاری کوانتومی (QKD) ایده‌آل است.
- مقیاس‌پذیری: ادغام با پروتکل‌های IPv4 و IPv6، امکان توسعه شبکه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند.
کاربردها
- ارتباطات امن: انتقال داده‌های حساس (مانند اطلاعات بانکی) با امنیت بی‌نظیر.
- شبکه‌های کوانتومی: اتصال کامپیوترهای کوانتومی برای ایجاد شبکه‌های محاسباتی توزیع‌شده.
- حسگری کوانتومی: بهبود دقت حسگرهای کوانتومی برای کاربردهای علمی و صنعتی.
محدودیت‌ها و گام‌های بعدی
- محدودیت فاصله: انتقال سیگنال‌های کوانتومی در فواصل طولانی (بین‌شهری یا بین‌قاره‌ای) همچنان به دلیل افت سیگنال و نبود تکرارگرهای کوانتومی چالش‌برانگیز است.
- نیاز به آزمایش بیشتر: فناوری Q-Chip باید در شبکه‌های گسترده‌تر و با شرایط پیچیده‌تر آزمایش شود.
- هزینه اولیه: توسعه و ادغام تراشه‌ها ممکن است در ابتدا هزینه‌بر باشد، اگرچه استفاده از زیرساخت موجود هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.
گام‌های بعدی:
- آزمایش در فواصل طولانی‌تر و شبکه‌های زیرزمینی واقعی.
- توسعه تکرارگرهای کوانتومی برای تقویت سیگنال‌ها بدون تخریب.
- ادغام با شبکه‌های ماهواره‌ای برای ارتباطات جهانی.
واکنش‌های کاربران در X
کاربران در X با شگفتی و برخی نگرانی‌ها به این خبر واکنش نشان داده‌اند:
- یکی از کاربران نوشت: «اینترنت کوانتومی روی فیبر نوری معمولی؟ این دیگه آینده‌ست!»
- دیگری اظهار داشت: «امیدوارم این فناوری فقط برای امنیت استفاده بشه، نه برای نظارت بیشتر.»
مقایسه با سایر پیشرفت‌ها
- چین: شبکه‌های QKD چین (مانند لینک 2,032 کیلومتری پکن-شانگهای) از فیبرهای اختصاصی استفاده می‌کنند، اما Q-Chip نیاز به زیرساخت جداگانه را حذف می‌کند.
- شمال‌غرب آمریکا: انتقال تله‌پورت کوانتومی روی فیبرهای پرترافیک با سرعت 400 گیگابیت‌برثانیه، اما بدون ادغام با پروتکل‌های IP استاندارد.
| ویژگی | Q-Chip پنسیلوانیا | QKD چین |
|---|---|---|
| زیرساخت | فیبر نوری موجود | فیبر اختصاصی |
| پروتکل | IP استاندارد | پروتکل‌های خاص |
| سرعت کلاسیک | نامحدود | تا 400 Gbps |
| مقیاس‌پذیری | بالا | محدود |
نتیجه‌گیری
تراشه Q-Chip دانشگاه پنسیلوانیا با امکان انتقال سیگنال‌های کوانتومی در کنار سیگنال‌های کلاسیک روی شبکه‌های فیبر نوری موجود، راه را برای اینترنت کوانتومی عملی هموار کرده است. این فناوری با حفظ درهم‌تنیدگی، اصلاح نویز، و ادغام با پروتکل‌های IP، پتانسیل تغییر ارتباطات امن و محاسبات کوانتومی را دارد. با این حال، برای مقیاس‌پذیری جهانی، نیاز به تحقیقات بیشتری است. آی تی پالس، مرجع اخبار فناوری کوانتومی، شما را با آخرین تحولات این حوزه همراهی می‌کند.
