فضا، بهترین بستر اینترنت کوانتومی

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبریان؛ بسیاری از پژوهشگران از چند سال قبل طرح‌ها و چشم‌اندازهای خود را پیرامون اینترنت کوانتومی مطرح کرده‌اند. در این پروژه‌های به منظور جابه‌جایی اطلاعات از خواص کوانتومی فوتون‌ها و الکترون‌ها استفاده می‌شود.

اینترنت کوانتومی کاربردهای آشکاری برای دولت‌ها و ارتش‌ها دارد؛ اما به صورت روزافزون مورد توجه بانک‌ها و دیگر حوزه‌های کسب‌وکار نیز قرار می‌گیرد؛ زیرا رایانه‌ها و اینترنت کوانتومی، امنیتی بسیار بالا و غیرقابل هک را وعده داده‌اند.

یکی از سؤال‌ها و چالش‌های پیشروی دانشمندان، نحوه ساخت اینترنت کوانتومی به شکلی است که سرتاسر جهان را پوشش بدهد. سامیت خاتری (Sumeet Khatri) و همکارانش در دانشگاه ایالتی لوئیزیانا به تازگی راه‌کاری برای این موضوع ارائه داده‌اند. این محققان روش‌های مختلفی را برای راه‌اندازی اینترنت کوانتومی موردمطالعه قرار دادند؛ اما در نهایت مقرون به صرفه‌ترین راه‌کار را ایجاد یک صورت فلکی از ماهواره‌های کوانتومی در فضا مطرح کردند.

آن‌ها توضیح دادند در مرکز هر شبکه کوانتومی خاصیت عجیبی به نام درهم تنیدگی وجود دارد. این پدیده مطرح می‌کند که دو ذره کوانتومی، موجودیتی یکسان را با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند؛ حتی اگر در مسافت‌های بسیار دوری از هم قرا داشته باشند. در نتیجه اندازه‌گیری یک از ذرات، بلافاصله روی دیگری نیز تأثیر خواهد گذاشت. در نتیجه زمانی که یک فوتون به محلی متفاوت ارسال می‌شود؛ جفت دیگر آن پیامی غیرقابل هک را ارسال می‌کند.

یکی از چالش‌های پیش روی سامانه‌های کوانتومی شکننده بودن آن است. به این معنی که کوچک‌ترین نویزی می‌تواند میان ارتباط دو ذره اختلال ایجاد کرده و باعث از دست رفتن اطلاعات بشود. همچنین پژوهشگران تخمین می‌زنند برد ارتباطات کوانتومی از چند صد کیلومتر فراتر نمی‌رود.

یکی از روش‌های ایجاد اینترنت کوانتومی استفاده از «تکرارکننده‌های کوانتومی» (quantum repeaters) است. ابزارهایی که خواص کوانتومی فوتون را در زمان دریافت اندازه‌گیری کرده، آن‌ها را به فوتون دیگری منتقل می‌کنند؛ اما این فناوری در مراحل اولیه توسعه قرار داشته و چندین سال با تجاری‌سازی فاصله دارد.

راه‌کار دیگر ایجاد جفت فوتون‌های در هم تنیده شده در فضا و ارسال آن میان دو ایستگاه زمین مختلف است. این ایستگاه‌ها نیز بر پایه درهم تنیدگی عمل کرده، اطلاعات را به شیوه‌ای بسیار امن جابه‌جا می‌کنند.

چین در سال 2017 اولین ماهواره کوانتومی را با نام «Micius» به فضا پرتاب کرد. این ماهواره برای اولین بار نشان داد که فوتون‌ها در این روش می‌توانند فاصله بسیار بیشتری را طی کنند و تنها 20 کیلومتر آخر را در اتمسفر قرار می‌گیرند؛ اما در این راه‌کار نیز باید تعداد بسیار زیادی ماهواره کوانتومی در فضا وجود داشته باشند که در خط افق قرار ندارند.

خاتری اشاره کرد بهترین روش ایجاد اینترنت کوانتومی استفاده از یک صورت فلکی ماهواره‌ای است؛ اما در این روش نیز باید دو ایستگاه زمینی به صورت هم‌زمان ماهواره را در پوشش خود داشته باشند تا بتوان جفت ذرات در هم تنیده شده را میان آن‌ها انتقال داد.

خاتری افزود:

ماهواره‌ها به منظور ارائه بیشترین پوشش باید در چه ارتفاعی قرار داشته باشند؟ چه تعدادی از آن‌ها موردنیاز است؟ از آنجایی که ماهواره‌ها هم‌اکنون گران‌قیمت و منابعی با ارزش هستند، ما می‌خواهیم با وجود ارائه بیشترین پوشش اینترنت، از کمترین تعداد آن‌ها استفاده کنیم.

پژوهشگران برای پاسخ به سؤالات مطرح شده، صورت فلکی ماهواره‌ای را شبیه‌سازی کردند. نتیجه آزمایش‌ها نشان داد که می‌توان با افزایش ارتفاع ماهواره‌ها، تعداد مورد نیاز آن‌ها را کاهش داد؛ اما در این حالت فاصله جابه‌جایی فوتون‌ها افزایش یافته و تعداد بیشتری از آن‌ها از دست می‌روند. از طرفی اگر ماهواره‌ها در ارتفاعی کم و مثلاً مدار لئو قرار بگیرند؛ تنها می‌توانند منطقه کوچکی را تحت پوشش خود قرار بدهند.

در نهایت پژوهشگران پیشنهاد دادند که حداقل 400 ماهواره در ارتفاع 3 هزار کیلومتری از سطح زمین قرار بگیرند. همان ارتفاعی که 24 ماهواره موقعیت‌یاب جغرافیایی در آن قرار دارند. اما حتی در این حالت نیز محدودیت فاصله 7500 کیلومتری وجود خواهد داشت که مشکلی قابل‌توجه است. با وجود این خاتری اشاره کرد که تکرارکننده‌های زمینی نیز با محدودیت 20