پیشرفتی مهیج در دنیای ارتباطات؛ فناوری کوانتومی با اینترنت ادغام می‌شود

فیبرهای نوری، به عنوان زیرساخت اصلی ارتباطات جهانی، اینترنت پرسرعت را برای میلیاردها کاربر فراهم می‌کنند. این کابل‌ها اکنون برای انتقال داده‌های کوانتومی نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند؛ فناوری نوینی که تحولی بنیادین در محاسبات، رمزنگاری و حسگری ایجاد خواهد کرد.

این دستاورد مهم، امکان ادغام سیستم‌های کوانتومی با زیرساخت‌های فعلی را فراهم می‌سازد، هزینه‌های ایجاد شبکه‌های جدید را کاهش داده و زمینه را برای کاربردهای پیشرفته‌تر مهیا می‌کند.

همزیستی سیگنال‌های کوانتومی و سنتی

ارتباطات کوانتومی با روش‌های مرسوم انتقال داده در اینترنت تفاوت اساسی دارد. در سیستم‌های کوانتومی، به جای ارسال میلیون‌ها فوتون برای کدگذاری اطلاعات، از فوتون‌های تکی با حالت‌های کوانتومی بسیار حساس استفاده می‌شود. این موضوع، چالش‌هایی را هنگام استفاده همزمان از فیبرهای نوری با سیگنال‌های پرقدرت سنتی ایجاد می‌کند، زیرا این سیگنال‌ها می‌توانند نویز تولید کرده و با داده‌های کوانتومی تداخل کنند.

نویز ناشی از پراکندگی غیرالاستیک، به ویژه پراکندگی خودبه‌خودی رامان (Raman)، یک مشکل جدی است. این نوع پراکندگی، فوتون‌هایی با طیف وسیع تولید می‌کند که می‌توانند سیگنال‌های ضعیف کوانتومی را بپوشانند و عملکرد شبکه‌های سنتی و کوانتومی را تحت تأثیر قرار دهند.

محققان سال‌ها به بررسی همزیستی سیستم‌های کوانتومی و سنتی پرداخته‌اند و از منابع حالت همدوس ضعیف، جفت فوتون درهم‌تنیده و نور فشرده برای حل این مشکلات استفاده کرده‌اند. با وجود این تلاش‌ها، تمرکز اصلی بر انتقال مستقیم داده‌های کوانتومی بین نقاط مختلف شبکه بوده است.

با این حال، بسیاری از کاربردهای جدید کوانتومی، مانند رله‌های کوانتومی، تقویت کننده‌ها و رایانه‌های کوانتومی شبکه‌ای، به جای انتقال فیزیکی داده‌ها، از انتقال از راه دور حالت‌های کوانتومی بهره می‌برند.

انتقال از راه دور، که به واسطه پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی امکان‌پذیر است، به یک حالت کوانتومی اجازه می‌دهد بدون انتقال فیزیکی، بین دو سیستم دور منتقل شود. این ویژگی غیرمحلی، پتانسیل ایجاد ارتباطات بسیار امن و پرسرعت در فواصل طولانی را فراهم می‌کند. اما تا به امروز، امکان انتقال از راه دور کوانتومی بر روی فیبرهایی که همزمان داده‌های اینترنت معمولی را نیز منتقل می‌کنند، به طور عملی اثبات نشده بود.

پیشرفتی در انتقال از راه دور کوانتومی

در یک پژوهش نوآورانه که در مجله Optica منتشر شده است، مهندسان دانشگاه نورث‌وسترن برای اولین بار موفق به انجام انتقال از راه دور کوانتومی بر روی کابل‌های فیبر نوری شدند که همزمان ارتباطات سنتی پرسرعت را نیز برقرار می‌کردند.

این آزمایش شامل یک سیستم سه نقطه‌ای با فیبری به طول 30.2 کیلومتر بود که در آن سیگنال‌های کوانتومی و سنتی با استفاده از طول موج‌های متفاوت، به صورت چندگانه ارسال می‌شدند. با استفاده از اندازه‌گیری حالت بل مشترک (BSM) بر روی یک فوتون منفرد و یک جفت فوتون درهم‌تنیده، حالت کوانتومی با موفقیت و بدون افت کیفیت قابل توجه منتقل شد.

این گروه تحقیقاتی با انتخاب دقیق طول موج‌ها برای کاهش پراکندگی خودبه‌خودی رامان، بر مشکلات مربوط به نویز غلبه کردند. آن‌ها سیگنال‌های کوانتومی را در باند 1290 نانومتر قرار دادند، جایی که احتمال تداخل پراکندگی ناشی از نور پرقدرت باند C (مورد استفاده در اینترنت) حداقل است. استفاده از فیلترهای باریک‌باند و تشخیص همزمان، نویز را بیشتر کاهش داد و دقت بالای انتقال حالت کوانتومی را تضمین کرد.

پرم کومار (Prem Kumar)، نویسنده اصلی این تحقیق و استاد دانشگاه نورث‌وسترن، با برجسته کردن اهمیت این دستاورد، اظهار داشته:

این بسیار هیجان‌انگیز است زیرا هیچ‌کس تصور نمی‌کرد چنین چیزی ممکن باشد. کار ما مسیری را به سوی نسل آینده شبکه‌های کوانتومی و سنتی که از یک زیرساخت فیبر نوری مشترک استفاده می‌کنند، نشان می‌دهد. این امر، امکان توسعه بیشتر ارتباطات کوانتومی را فراهم می‌کند.

آزمایش سیستم در شرایط واقعی

محققان برای تأیید روش خود، محیط یک شبکه واقعی را شبیه‌سازی کردند. آن‌ها داده‌های کوانتومی و ترافیک اینترنت پرسرعت را به صورت همزمان از طریق یک فیبر منتقل کردند.

در یک انتهای کابل 30 کیلومتری، فوتونی حامل حالت کوانتومی قرار داده شد و در انتهای دیگر، فوتونی درهم‌تنیده با آن. حالت کوانتومی با موفقیت در سراسر شبکه منتقل شد و نشان داد که ارتباطات کوانتومی و سنتی می‌توانند بدون تداخل در کنار یکدیگر وجود داشته باشند.

جردن توماس (Jordan Thomas)، دانشجوی دکترا در دانشگاه نورث‌وسترن و نویسنده اول مقاله، فرایند انتقال از راه دور را اینگونه توضیح می‌دهد:

با انجام یک اندازه‌گیری مخرب بر روی دو فوتون (یکی حامل حالت کوانتومی و دیگری درهم‌تنیده با فوتون دیگر) حالت کوانتومی به فوتون سوم منتقل می‌شود که می‌تواند در فاصله بسیار دوری قرار داشته باشد. انتقال از راه دور، امکان تبادل اطلاعات در فواصل زیاد را بدون نیاز به طی کردن آن فاصله توسط خود اطلاعات فراهم می‌کند.

این دستاورد، نتیجه سال‌ها تحقیق در زمینه همزیستی سیستم‌های کوانتومی و سنتی است و زمینه را برای کاربردهای پیشرفته‌تر، مانند جابجایی درهم‌تنیدگی و شبکه‌های کوانتومی توزیع شده، فراهم می‌کند.

هموار کردن راه برای نوآوری‌های آینده

اثرات این پژوهش بسیار فراتر از تست‌های آزمایشگاهی است. تیم کومار قصد دارد آزمایش‌های خود را به فواصل بیشتر گسترش دهد و از دو جفت فوتون درهم‌تنیده برای نشان دادن جابجایی درهم‌تنیدگی، که گامی مهم برای کاربردهای کوانتومی توزیع شده است، استفاده کند. آن‌ها همچنین قصد دارند به جای فیبرهای قرقره‌ای آزمایشگاهی از کابل‌های نوری زیرزمینی واقعی استفاده کرده و این فناوری را به مرحله اجرا نزدیک‌تر کنند.

کومار بیان کرده:

انتقال از راه دور کوانتومی، توانایی ایجاد اتصال کوانتومی امن بین نقاط جغرافیایی دور را دارد. اما بسیاری تصور می‌کردند که هیچ‌کس زیرساخت ویژه‌ای برای ارسال ذرات نور ایجاد نخواهد کرد. با انتخاب صحیح طول موج‌ها، نیازی به ساخت زیرساخت جدید نخواهیم داشت و ارتباطات سنتی و کوانتومی می‌توانند در کنار هم وجود داشته باشند.

این همزیستی می‌تواند راه‌اندازی فناوری‌های کوانتومی را تسهیل کرده و از شبکه‌های فیبر نوری موجود برای پشتیبانی از محاسبات کوانتومی، ارتباطات امن و حسگری پیشرفته استفاده کند. خوش‌بینی کومار، نشان دهنده دیدگاهی وسیع‌تر برای ادغام سیستم‌های کوانتومی در فناوری‌های روزمره است که می‌تواند صنایع مختلف، از سیستم‌های مالی تا بهداشت و درمان را متحول کند.

موفقیت چشمگیر تیم تحقیقاتی دانشگاه نورث‌وسترن به وضوح نشان می‌دهد که برای دستیابی به آینده‌ای روشن در عرصه ارتباطات کوانتومی، لزوماً نیازی به ایجاد زیرساخت‌های کاملاً جدید و اختراع دوباره چرخ نیست. بلکه، اتخاذ رویکردی مؤثرتر و کارآمدتر، ادغام بی‌نقص و هوشمندانه دستاوردهای علمی پیشرفته و فناوری‌های نوین با زیرساخت‌های ارتباطی موجود و در دسترس است. این رویکرد نوآورانه، نویدبخش آغاز عصری نوین و انقلابی در عرصه ارتباطات جهانی خواهد بود و امکانات جدیدی را برای جوامع بشری فراهم خواهد ساخت.