دستاورد بزرگ: ارسال سیگنال‌های کوانتومی از طریق اینترنت استاندارد

چالش‌های انتقال سیگنال‌های کوانتومی

سیگنال‌های کوانتومی به دلیل ماهیت بسیار حساس خود، همواره چالش‌های فراوانی را برای انتقال ایجاد کرده‌اند. این سیگنال‌ها به قدری ضعیف هستند که هرگونه اندازه‌گیری مستقیم، خاصیت درهم‌تنیدگی کوانتومی آن‌ها را از بین می‌برد و نویز محیطی نیز می‌تواند آن‌ها را غیرقابل خواندن کند. با این حال، مهندسان این پروژه توانستند این موانع را پشت سر گذاشته و سیگنال‌های کوانتومی را بر روی همان زیرساخت شلوغ اینترنتی که سیگنال‌های IP استاندارد در آن جریان دارند، منتقل کنند.

نقش کلیدی تراشه Q-Chip در ارتباطات کوانتومی

این موفقیت بزرگ مدیون توسعه Q-Chip است؛ تراشه‌ای سیلیکونی که توسط دانشگاه پنسیلوانیا برای هماهنگی سیگنال‌های سنتی و کوانتومی بر روی اینترنت طراحی شده است. Q-Chip که مخفف عبارت «Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics» است، قادر است سیگنال‌های استاندارد و کوانتومی را در یک بسته واحد ترکیب کرده و آن‌ها را با موفقیت از طریق خطوط فیبر نوری شهری ارسال کند. این تراشه با قابلیت ارسال و دریافت سیگنال‌های پیوندخورده، نویز را به صورت خودکار تصحیح می‌کند و نیازی به اندازه‌گیری مستقیم سیگنال‌های کوانتومی ندارد.

تفاوت‌های بنیادین کامپیوتر کوانتومی و سنتی

برای درک اهمیت این دستاورد، لازم است تفاوت‌های اساسی میان کامپیوترهای کوانتومی و سنتی را بشناسیم:

• کامپیوترهای سنتی: از ترانزیستور، بیت و الکترون برای محاسبات استفاده می‌کنند که تنها دو حالت 0 و 1 را نمایش می‌دهند.
• کامپیوترهای کوانتومی: از کیوبیت‌ها بهره می‌برند که با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی، قادرند همزمان حالت 0، 1 یا بی‌شمار ترکیب دیگر از این دو حالت را نمایش دهند.

دشواری‌های درهم‌تنیدگی کوانتومی و راهکار Q-Chip

کار با درهم‌تنیدگی کوانتومی به دلیل حساسیت بالای آن بسیار چالش‌برانگیز است. همانند آزمایش فکری گربه شرودینگر که وضعیت گربه (زنده یا مرده) تا پیش از مشاهده نامشخص است، ذرات کوانتومی نیز در حالت برهم‌نهی (نه 0 و نه 1) باقی می‌مانند و تنها پس از مشاهده، به یکی از حالت‌های 0 یا 1 تبدیل می‌شوند. همین ویژگی، انتقال سیگنال‌های کوانتومی را بر روی اینترنت بسیار دشوار می‌سازد.

رابرت بروبرگ، دانشجوی دکتری عضو این پروژه، توضیح می‌دهد: «شبکه‌های معمولی داده را برای هدایت به مقصد نهایی اندازه‌گیری می‌کنند. اما در شبکه‌های کاملاً کوانتومی چنین امکانی وجود ندارد؛ زیرا اندازه‌گیری ذرات حالت کوانتومی آن‌ها را از بین می‌برد.»

تراشه Q-Chip این مشکل را با جفت‌کردن سیگنال کوانتومی با یک سیگنال استاندارد اینترنتی مبتنی بر نور در قالب یک «ترکیب قطاری» حل می‌کند. در این روش، سیگنال استاندارد نقش «موتور» را ایفا کرده و وظیفه مسیریابی را بر عهده دارد، در حالی که سیگنال کوانتومی مانند «محموله» در کنار آن حرکت می‌کند و در هیچ مرحله‌ای اندازه‌گیری نمی‌شود. از آنجا که فرستنده و گیرنده Q-Chip از ماهیت سیگنال استاندارد مطلع هستند، می‌توانند خطاهای ناشی از نویز را اصلاح کرده و به طور غیرمستقیم سیگنال کوانتومی را نیز تصحیح کنند.

گامی مهم به سوی اینترنت کوانتومی عملی

لیانگ فنگ، نویسنده ارشد مقاله، اظهار داشت: «با نشان دادن اینکه یک تراشه مجتمع می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی را روی شبکه تجاری زنده‌ای مانند Verizon مدیریت کند و این کار با همان پروتکل‌هایی که اینترنت کلاسیک را اداره می‌کنند صورت گیرد، ما گام مهمی به سوی آزمایش‌های گسترده‌تر و اینترنت کوانتومی عملی برداشتیم.»

آینده اینترنت کوانتومی

سیستم Q-Chip از نظر تئوری قابلیت عملکرد در سراسر شبکه فیبر نوری Verizon در فیلادلفیا، محل دانشگاه پنسیلوانیا، و سایر زیرساخت‌های اینترنت شهری را دارد. با این حال، برای ایجاد اتصال اینترنت کوانتومی میان شهرها یا حتی فراتر از آن، تحقیقات بیشتری برای انتقال موفق سیگنال‌های کوانتومی در فواصل طولانی مورد نیاز خواهد بود.

با پیشرفت کامپیوتر کوانتومی به سمت کاربردهای واقعی، این دستاورد در زمینه ارسال سیگنال‌های کوانتومی از طریق زیرساخت اینترنت موجود، ارزش بالایی دارد. آینده کوانتوم همچنان نامعلوم است، اما دولت‌ها و شرکت‌ها پیوسته در تلاش‌اند تا نخستین مجموعه‌ای باشند که استفاده عملی از آن را ممکن می‌سازند و این فناوری انقلابی را به واقعیت تبدیل کنند.