جيتي
تخيل أجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة التي يمكن أن تحل المشاكل أسرع بكثير من الآلات اليوم. ويجري تطوير هذه "الحواسيب الكمومية" في المختبرات في جميع أنحاء العالم. ولكن العلماء قد اتخذوا الخطوة التالية، وهم يفكرون في الإنترنت الكمومي الخفيف الذي يجب أن يكون سريعا.
ليس من السهل تطوير التكنولوجيا لجهاز لم يتم اختراعه من الناحية الفنية بعد، ولكن الاتصالات الكمومية مجال جذاب للبحث لأن التكنولوجيا ستمكننا من إرسال رسائل أكثر أمانا.
هناك العديد من المشاكل التي سوف تحتاج إلى حل من أجل جعل الإنترنت الكم ممكن:
- الحصول على أجهزة الكمبيوتر الكم للحديث مع بعضها البعض
- جعل الاتصالات آمنة من القرصنة
- إرسال الرسائل عبر مسافات طويلة دون فقدان أجزاء من الرسالة؛ و
- توجيه الرسائل عبر شبكة الكم
ما هو الكمبيوتر الكم؟
الكمبيوتر الكمومي هو آلة قادرة على كسر مشاكل الحساب صعبة للغاية مع سرعة لا تصدق - أبعد من أجهزة الكمبيوتر "الكلاسيكية" اليوم.
في أجهزة الكمبيوتر التقليدية، تسمى وحدة المعلومات "بت" ويمكن أن تكون لها قيمة إما 1 أو 0. ولكن ما يعادلها في نظام كمومي - كبيت (بت كم) - يمكن أن يكون 1 و 0 في نفس الوقت . هذه الظاهرة تفتح الباب لإجراء حسابات متعددة ليتم تنفيذها في وقت واحد.
ومع ذلك، تحتاج الكواكب إلى أن تكون متزامنة باستخدام تأثير الكم المعروف باسم التشابك، الذي وصفه ألبرت أينشتاين "العمل عصبي على مسافة".
وهناك أربعة أنواع من الحواسيب الكمومية التي يجري تطويرها حاليا والتي تستخدم:
- الجسيمات الخفيفة
- أيونات المحاصرين
- كوبيتس فائقة التوصيل
- مراكز الشواغر النيتروجين في الماس
سوف الكم أجهزة الكمبيوتر تمكن العديد من التطبيقات المفيدة، مثل القدرة على نموذج العديد من الاختلافات من التفاعل الكيميائي لاكتشاف الأدوية الجديدة. تطوير تقنيات التصوير الجديدة للرعاية الصحية للكشف عن المشاكل في الجسم بشكل أفضل؛ أو لتسريع كيفية تصميم البطاريات والمواد الجديدة والالكترونيات المرنة.
تجمع قوة الحوسبة
وقد تكون الحواسيب الكمومية أكثر قوة من الحواسيب الكلاسيكية، ولكن بعض التطبيقات تتطلب قدرا أكبر من الحوسبة من جهاز كمبيوتر كمومي واحد يمكن أن يوفره بمفرده.
إذا كنت تستطيع الحصول على أجهزة الكم للتحدث مع بعضهم البعض، ثم هل يمكن ربط العديد من أجهزة الكمبيوتر الكم معا وتجميع قوتهم لتشكيل جهاز كمبيوتر الكم ضخمة واحدة.
ومع ذلك، نظرا لأن هناك أربعة أنواع مختلفة من الحواسيب الكمومية التي يتم بناؤها اليوم، فإنها لن تكون قادرة على التحدث مع بعضهم البعض دون بعض المساعدة.
بعض العلماء يفضلون الإنترنت الكمومي القائم كليا على الجزيئات الخفيفة (الفوتونات)، في حين يعتقد البعض الآخر أنه سيكون من الأسهل لجعل الشبكات الكمومية حيث يتفاعل الضوء مع المادة.
وقال جوزيف فيتزيمونز، الباحث الرئيسي في مركز كوانتوم تكنولوجيز في جامعة سنغافورة الوطنية ، للبي بي سي"إن الضوء أفضل للاتصالات، ولكن الكوبتات المسألة هي الأفضل للتجهيز" .
"أنت بحاجة إلى جعل الشبكة تعمل على تصحيح الخطأ للإشارة، ولكن يمكن أن يكون من الصعب جعلها تتفاعل".
إنه أمر مكلف للغاية ويصعب تخزين جميع المعلومات في الفوتونات، كما يقول فيتزيمونز، لأن الفوتونات لا تستطيع رؤية بعضها البعض وتمريرها مباشرة بدلا من كذاب بعضها البعض. بدلا من ذلك، يعتقد أنه سيكون من الأسهل استخدام الضوء للاتصالات، في حين تخزين المعلومات باستخدام الإلكترونات أو الذرات (في المسألة).
تشفير الكم ؟
جيتي
واحدة من التطبيقات الرئيسية للإنترنت الكم سيكون توزيع مفتاح الكم (كد)، حيث يتم إنشاء مفتاح سري باستخدام زوج من الفوتونات متشابكة، ثم يتم استخدامها لتشفير المعلومات بطريقة يستحيل على جهاز كمبيوتر الكم للقضاء .
هذه التكنولوجيا موجودة بالفعل، وأثبتت لأول مرة في الفضاء من قبل فريق من الباحثين من جامعة سنغافورة الوطنية وجامعة ستراثكلايد، المملكة المتحدة، في ديسمبر 2015.
ولكنها ليست مجرد التشفير الذي سنحتاج إلى بناء من أجل تأمين المعلومات لدينا في المستقبل الكم.
العلماء يعملون أيضا على " بروتوكولات الكمبيوتر الكم أعمى "، لأنها تسمح للمستخدم لإخفاء أي شيء يريدون على جهاز كمبيوتر .
"يمكنك كتابة شيء، وإرساله إلى جهاز كمبيوتر عن بعد والشخص الذي يملك جهاز الكمبيوتر لا أستطيع أن أقول أي شيء عن ذلك في كل ما عدا كم من الوقت استغرق لتشغيل ومقدار الذاكرة كان عليه"، كما يقول فيتزسيمونز.
"هذا أمر مهم لأن هناك على الأرجح لن يكون هناك العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية عندما تظهر لأول مرة، لذلك الناس سوف تريد تشغيل البرامج عن بعد لهم، والطريقة التي نقوم بها اليوم في السحابة."
وهناك نهجان مختلفان لبناء شبكات كمية - شبكة أرضية وشبكة فضائية.
كل من الطرق تعمل بشكل جيد لإرسال بت منتظمة من البيانات عبر الإنترنت اليوم، ولكن إذا كنا نريد أن نرسل البيانات كبيتس في المستقبل، هو أكثر تعقيدا بكثير.
لإرسال جزيئات الضوء (الفوتونات)، يمكننا استخدام كابلات الألياف البصرية في الأرض. ومع ذلك، فإن إشارة الضوء تتدهور على مسافات طويلة (وهي ظاهرة تعرف باسم "فك الترابط")، لأن كابلات الألياف الضوئية تمتص الفوتونات أحيانا.
فمن الممكن للتغلب على هذا من خلال بناء "محطات مكرر" كل 50KM. وستكون هذه في الأساس مختبرات كمية مصغرة تحاول إصلاح الإشارة قبل إرسالها إلى العقدة التالية في الشبكة. ولكن هذا النظام سيكون مع تعقيداته الخاصة.
أرض أو فضاء؟
جوهانس هاندستينر / ÖAW
ثم هناك شبكات فضائية. لنفترض أنك تريد إرسال رسالة من المملكة المتحدة إلى صديق في أستراليا. يتم بث إشارة الضوء حتى من محطة أرضية في المملكة المتحدة، إلى قمر صناعي مع مصدر الضوء التي شنت على ذلك.
ويقوم الساتل بإرسال الإشارة الضوئية إلى ساتل آخر، ثم يرسل الإشارات إلى محطة أرضية في أستراليا، ثم يمكن إرسال الرسالة عبر شبكة كمومية أرضية أو شبكة إنترنت تقليدية إلى الطرف الآخر.
يقول الدكتور جيمي فيكاري، وهو باحث بارز في قسم علوم الحاسب الآلي بجامعة أكسفورد وعضو في "مركز تكنولوجيا المعلومات الكمومية" (نكيت): "نظرا لعدم وجود هواء بين الأقمار الصناعية، لا يوجد شيء يحط من الإشارة".
واضاف "اذا اردنا ان يكون لدينا الانترنت الكمي العالمي حقا، يبدو ان الحل القائم على الفضاء هو السبيل الوحيد الذي سيعمل، لكنه الاكثر تكلفة".
وقد أجري بنجاح النقل الفضائي الكمي عبر الفضاء، ويتنافس العلماء حاليا على إظهار مسافات أطول وأطول.
وصدر علماء من الأكاديمية الصينية للعلوم عناوين رئيسية في يونيو / حزيران عندما نجحوا في نقل فوتونات متشابكة بين بلدتين في الصين تقع على بعد 1200 كم. واستخدموا قمر صناعيا كميا تم تطويره خصيصا يسمى ميسيوس.
وتصدر نفس العلماء الصينيين مؤخرا سجلهم الخاص في 29 سبتمبر، من خلال إظهار أول مكالمة فيديو عبر القارات في العالم يحميها مفتاح الكم مع باحثين في الأكاديمية النمساوية للعلوم - على مسافة 7700 كم.
استمرت المكالمة لمدة 20 دقيقة وتمكن الطرفان من تبادل الصور المشفرة للقمر الصناعي ميسيوس والفيزيائي النمساوي إروين شرودنجر.
ويرى روبرت أورسين، قائد المجموعة العليا في معهد البصريات الكمية والمعلوماتية في أكاديمية العلوم الكندية، أن شبكة الإنترنت الكمومية ستحتاج إلى شبكات أرضية وفضائية للعمل بالتوازي.
"في المدن، نحن بحاجة إلى شبكة الألياف، ولكن سيتم تغطية وصلات لمسافات طويلة من خلال وصلات الأقمار الصناعية"، كما يوضح.
كيف يعمل التوزيع الكمي الرئيسي؟
ÖAW
لفهم كيف يعمل كد، دعونا نعود إلى مكالمة الفيديو التي أجريت بين العلماء النمساوية والصينيين. واستخدم الساتل ميسيوس مصدر الضوء الخاص به لإنشاء وصلات بصرية مع المحطات الأرضية في النمسا والمحطات الأرضية في الصين.
ثم كان قادرا على توليد مفتاح الكم.
الشيء العظيم حول التشفير الكم هو يمكنك الكشف عما إذا كان شخص ما حاول اعتراض الرسالة قبل أن حصلت لك، وكيف حاول كثير من الناس للوصول إليه.
كان ميكيوس قادرا على أن أقول أن التشفير آمن ولا أحد كان التنصت على مكالمة الفيديو. ثم أعطى المضي قدما لتشفير البيانات باستخدام المفتاح السري ونقله عبر قناة الإنترنت العامة.
توجيه الرسائل
وتقوم مجموعات متعددة من العلماء بتطوير الشبكات البرية من خلال العمل على تكنولوجيات محطات إعادة الإرسال الكمي، التي تقع كل 50 كيلومترا، متصلة بكابلات الألياف الضوئية.
وستحتاج محطات التكرار هذه، المعروفة أيضا باسم "عقد الشبكة الكمومية"، إلى تنفيذ عدة إجراءات من أجل توجيه أو توجيه الرسائل عبر الشبكة.
أولا، تحتاج كل عقدة لإصلاح وتعزيز الإشارة التي تضررت من امتداد 50 كم السابق للشبكة.
تخيل أنك تستخدم جهاز فاكس قديم لإرسال مستند من صفحة واحدة إلى شخص آخر، وفي كل مرة ترسل فيها الصفحة، يفتقد جزء مختلف من الرسالة، ويتعين على الطرف الآخر وضع الرسالة معا من جميع المحاولات الفاشلة.
وهذا مشابه لكيفية إرسال رسالة واحدة بين عقد مختلفة على شبكة كمومية.
جيتي
سيكون هناك الكثير من الناس على الشبكة، وكلها تحاول التحدث مع بعضها البعض. وبالتالي، فإن العقدة أو محطة المكرر سيتعين عليها أيضا معرفة كيفية توزيع قدرتها الحاسوبية المتاحة من أجل تجميع جميع الرسائل المرسلة. وسوف تضطر أيضا إلى إرسال رسائل بين الإنترنت الكم والإنترنت الكلاسيكية.
وتقوم جامعة ديلفت ببناء شبكة كمية باستخدام شواغر النيتروجين في الماس، وقد أظهرت حتى الآن القدرة على تخزين وتوزيع الوصلات اللازمة للاتصالات الكمومية على مسافات كبيرة جدا.
وتقوم جامعة أكسفورد وجامعة ميريلاند حاليا ببناء حواسيب كمية تعمل بطريقة مماثلة على الشبكة. تتكون الحواسيب الكمومية من العقد الأيونية المحاصرة التي تم ربطها ببعضها البعض للتواصل مع بعضها البعض.
أكبر الكمبيوتر الذي تريده، والمزيد من العقد لديك لإضافة، ولكن هذا النوع من الكمبيوتر الكم فقط ينقل البيانات على مسافة قصيرة.
يقول الدكتور فيكاري: "نريد أن نجعلها صغيرة حتى يمكن حمايتها بشكل جيد من فك الترابط، ولكن إذا كانت صغيرة، فإنها لا تستطيع أن تحمل الكثير من الكوبتات.
"إذا ربطنا العقد في شبكة ما، فإننا لا يزال لدينا كمبيوتر الكم دون أن يكون محدودا من قبل عدد من البتات، في حين لا تزال حماية العقد".
الذاكرة الكمومية
وستحتاج محطة المكرر أيضا إلى وجود رقاقة ذاكرة كمومية. العقد إنشاء "الروابط"، والتي تتكون من أزواج متشابكة من الجسيمات الخفيفة. يتم إعداد هذه الأزواج متشابكة مقدما.
في حين أن العقدة بحساب المسار عبر الشبكة أن الرسالة سوف تحتاج إلى اتخاذ، فإنه يحتاج لتخزين زوج متشابكا من الفوتونات آمنة في مكان ما، لذلك هناك حاجة إلى رقاقة ذاكرة الكم. يجب أن تكون قادرة على تخزين الفوتونات لأطول فترة ممكنة.
ستيوارت هاي، أنو
وقد طور باحثون من الجامعة الوطنية الأسترالية (أنو) شريحة ذاكرة كمومية متوافقة مع الاتصالات باستخدام بلورة مخدر الإربيوم. هذا الجهاز قادر على تخزين الضوء بالألوان المناسبة، وهو قادر على القيام بذلك لمدة أطول من ثانية واحدة، أي 10000 مرة أطول من جميع المحاولات الأخرى حتى الآن.
وقال البروفسور ماثيو سيلارس، مدير البرنامج في مركز الحوسبة الكمومية وتكنولوجيا الاتصالات (أنو) في أنو، "إن التحدي الأكبر الآن هو إظهار ذاكرة كمية ذات سعة تخزين كبيرة للبيانات".
"ستكون سعة تخزين الذاكرة التي تحد من معدل نقل البيانات عبر الشبكة.
"أعتقد أن الأمر سيستغرق حوالي خمس سنوات قبل أن تكون التكنولوجيا [للإنترنت الكمي] عملية".
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق