اینترنت کوانتومی چیست و چگونه دنیای ارتباطات را متحول خواهد کرد

اینترنت کوانتومی به‌دلیل قابلیت‌های منحصربه‌فردی که دارد، مورد توجه دولت‌ها، کسب‌وکارهای بزرگ و موسسات تحقیقاتی سراسر جهان قرار گرفته است. به‌طوری که موسسات بزرگ میلیاردها دلار سرمایه برای تحقیق و توسعه اینترنت کوانتومی اختصاص داده‌اند. 

اینترنت کوانتومی دستاوردهای بزرگی برای صنعت فناوری اطلاعات پدید خواهد آورد و تقریبا روی تمامی فناوری‌های فعلی تاثیرگذار خواهد بود. از توسعه هوش مصنوعی گرفته تا رمزارزهایی که درون کیف پول دیجیتالی قرار می‌دهید. جالب آن‌که، امکان برقراری یک ارتباط پایدار و باکیفیت را با فضانوردانی که روی سیاراتی مثل مریخ قرار دارند به‌شیوه ارتباط تصویری به‌وجود می‌آورد. اینترنت کوانتومی تعامل ما با پلتفرم‌های پخش فیلم و سریال را کاملا متحول خواهد کرد، به‌طوری که شما برای مشاهده یا دانلود فیلم‌های با بالاترین کیفیت، شاهد هیچ‌گونه تاخیر زمانی نخواهید بود. 

مطلب پیشنهادی

نگاهی کوتاه به مفهومی تازه‌وارد در دنیای فناوری

چگونه اینترنت کوانتومی‎ بسازیم؟

کوانتوم به چه معنا است؟

در دنیای فیزیک، کوانتوم به کوچک‌ترین و کمترین مقدار پایه از یک کمیت اشاره دارد که قادر است در تعامل با هر واحد دیگری باشد. در همین راستا، مکانیک‌ کوانتومی، به مطالعه و تحقیق بر رفتار این واحدهای کوچک می‌پردازد. دانشمندان کشف کرده‌اند که واحدهای کوانتومی ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند، به‌طوری که می‌توانند به ما در دستیابی به اینترنت کوانتومی کمک کنند. در دنیای فیزیکی، همه ما و اشیایی که پیرامون ما قرار دارند در محدوده قوانین فیزیک کلاسیک عمل می‌کنند و به همین دلیل است که در دنیای فیزیک کلاسیک، اشیاء این قابلیت را ندارند که سریع‌تر از نور حرکت کنند، زیرا نیروهای بازدارنده‌ای مثل گرانش بر عملکرد آن‌ها تاثیر منفی می‌گذارند. وب‌سایت space.com در این باره می‌نویسد: «واحدهای کوانتومی قادر هستند خارج از قلمرو فیزیکی وجود داشته باشند و در نتیجه این توانایی را دارند که تحت قوانین متفاوتی کار کنند. به بیان ساده‌تر، در دنیای کوانتومی، اجسام می‌توانند سریع‌تر از نور حرکت کنند، در زمان به‌عقب سفر کنند یا از راه دور جابه‌جا شوند». 

کیوبیت‌ها چه نقشی در اینترنت کوانتومی دارند؟

محاسبات مدرن حول محور بیت‌ها متمرکز هستند که در قالب کدهای دودویی عمل می‌کنند. به این معنا که همگی روی صفر یا روی یک تنظیم می‌شوند. هر بیت ممکن است حالت را از خاموش به روشن یا بالعکس تغییر دهد. این تغییر حالت بیت‌ها است که وضعیت برنامه‌ها را تغییر می‌دهد و در نهایت باعث می‌شود کامپیوترهای کلاسیک امروزی کار کرده و کارهای مختلفی را انجام دهند. 

بیت‌ها در کمتر از یک‌میلیاردم ثانیه بین 0 و 1 جابه‌جا می‌شوند، در شرایطی که سرعت فوق زیاد به‌نظر می‌رسد، اما برای برخی برنامه‌ها و عملکردهای خاص این سرعت مطلوب نیست. کامپیوتری که الان با آن کار می‌کنید برای وب‌گردی، پخش فیلم و سریال و بازی‌های کامپیوتری عملکرد خوبی دارد، اما پژوهشگران برای کشف رمز و رازهای جهان از مک‌بوک پرو استفاده نمی‌کنند. در شرایطی که سخت‌افزار‌ها دائما در حال پیشرفت هستند، اما بیت‌هایی که از این سخت‌افزارهای قدرتمند استفاده می‌کنند در دنیای فیزیکی قرار دارند و مجبور هستند در چارچوب قوانین فیزیکی که اشاره کردیم، کار کنند. 

در نقطه مقابل، کیوبیت می‌تواند تا حدود زیادی مشکلات فعلی را برطرف کند. کیوبیت که مایکروسافت از آن‌ به‌عنوان واحد اساسی اطلاعات در محاسبات کوانتومی یاد می‌کند، ممکن است کلید عبور از سد محدودیت‌ها باشد. کیوبیت در اصل بخشی از داده‌های کوانتومی است که قادر است در فضای کوانتومی کار کند. با توجه به این‌که فضای کوانتوم کاملا متفاوت از فضای فیزیک کلاسیک است، قوانین فیزیک کلاسیک روی آن تاثیرگذار نیست و در نتیجه غلبه بر محدودیت‌های سرعت به‌سادگی امکان‌پذیر است. 

خصوصیات منحصربه‌فرد کیوبیت‌ها 

کیوبیت علاوه بر حل مشکل محدودیت‌های فیزیکی، خصوصیات جذاب دیگری نیز دارد. در شرایطی که یک بیت معمولی در دنیای محاسبات امروزی تنها دو حالت روشن یا خاموش را می‌تواند داشته باشد، در نقطه مقابل یک کیوبیت در یک لحظه می‌تواند، روشن، خاموش و چیزی بین این دو حالت باشد. همچنین، ذرات می‌توانند از طریق درهم تنیدگی‌های کوانتومی به یک‌دیگر متصل شوند. به‌طور مثال، در دنیای کوانتومی اگر یک ذره در جهت خلاف حرکت عقربه ساعت بچرخد، مطمئن خواهیم بود که ذره دوم در جهت حرکت عقربه ساعت می‌چرخد، حتا اگر فاصله بین آن‌ها به اندازه‌ای زیاد باشد که غیر قابل نمایان باشند. 

در حال حاضر دانشمندان بر این باورند که درهم تنیدگی‌های کوانتومی به‌شدت ضعیف و شکننده هستند. از نقطه نظر امنیتی این مسئله برای اینترنت کوانتومی اتفاق خوبی است، زیرا هرگونه تداخل مثل تلاش برای هک کردن را مشخص کرده و کارشناسان به‌سرعت از این مسئله مطلع می‌شوند. با این‌حال، حالت فوق از منظر ارتباطات خوب نیست، زیرا ناپایداری در برقراری ارتباط را به‌وجود می‌آورد. در حال حاضر راهی برای تغییر حالت یک ذره بدون از بین رفتن درهم‌تنیدگی وجود ندارد.

مطلب پیشنهادی

کشف راهی جدید برای انجام محاسبات کوانتومی در دمای اتاق

نزدیکی محاسبات کوانتومی به دنیای کامپیوترهای شخصی

اینترنت کوانتومی چه دستاوردهایی به ارمغان می‌آورد؟ 

مهم‌ترین مزیت اینترنت کوانتومی امنیت است. کارشناسان دانشکده مهندسی هاروارد اعتقاد دارند که اینترنت کوانتومی غیرقابل هک است. در حقیقت به‌جای محاسبات ریاضی که ممکن است حاوی معایب قابل توجهی باشند که راه نفوذ را برای هکرها هموار می‌کنند، یک هکر برای هک اینترنت کوانتومی باید راهی برای شکستن قوانین فیزیک یا مکانیک کوانتومی پیدا کند تا بتواند داده‌های یک ارتباط کوانتومی را به‌دست آورد. اگر هکری یک کیوبیت در حال انتقال را رهگیری کند، قادر است وضعیت کیوبیت را تغییر دهد، اما بازهم موفق به جمع‌آوری اطلاعات نخواهد شد. علاوه بر این، در هنگام هک، دو طرف کانال ارتباطی به‌سرعت از این مسئله آگاه می‌شوند و تلاش‌ها بی‌اثر خواهند ماند. موسسه تحقیقاتی TuDelft بر این باور است که با توسعه و پیاده‌سازی اینترنت کوانتومی، مکانیزم موقعیت‌یاب جهانی بهتر، ساعت‌های کوانتومی دقیق‌تر، ارتباطات پایدارتر و قابلیت‌های امنیتی قدرتمند و قابل اطمینان‌تری در اختیار خواهیم داشت. تمامی این موارد در سایه پیاده‌سازی اینترنت کوانتومی به‌دست خواهند آمد.

 اینترنت کوانتومی با چه مشکلاتی روبه‌رو است؟ 

در شرایطی که شبکه‌های مبتنی بر اینترنت کوانتومی بالاترین سطح از امنیت را ارائه می‌دهند، اما بازهم نقاط ضعفی دارند که امکان سوء‌استفاده را به هکرها می‌دهند. البته تمامی این نقاط ضعف ماهیت فیزیکی دارند. دیوید ویندر، روزنامه‌نگار حوزه فناوری می‌گوید: «کابل‌های فیبر نوری که برای انتقال داده‌ها استفاده می‌شوند، یکی از دلایل بروز مشکلات امنیتی هستند. همچنین، اگر داده‌ها در جریان انتقال آسیب نبینند، ممکن است در مکانی که ذخیره‌سازی می‌شوند، آسیب‌پذیر باشند».

اگرچه در حال حاضر شبیه‌سازی یک حالت کوانتومی دقیق غیرممکن است، اما تیمی از محققان دانشگاه اتاوا موفق به ساخت نسخه‌های با پایداری بالا از فوتون‌ها در ارتباطات شده‌اند که آسیب‌پذیری بالقوه داده‌های در حال انتقال کوانتومی را نشان می‌دهد. نکته‌ای که تقریبا همه کارشناسان بر آن اتفاق نظر دارند این است که اینترنت کوانتومی امن‌تر از روش‌های ارتباطی فعلی است.

در حال حاضر پژوهشگران سرگرم تلاش برای طراحی و توسعه اینترنت کوانتومی پیرامون مفهوم درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند. در مقطع فعلی، ارتباطات کوانتومی شامل درهم‌تنیدگی دو فوتون و فرستادن یکی به کابل فیبر نوری است، اما این احتمال وجود دارد که در آینده بتوانیم داده‌ها را به‌شکل مستقیم بین ذرات کوانتومی ارسال کنیم و وابستگی به کابل‌ها در ارتباطات اینترنت کوانتومی را کمتر کنیم. در شرایطی که وجود درهم‌تنیدگی کوانتومی و راه‌هایی برای کنترل آن به‌اثبات رسیده است، اما نحوه دقیق عملکرد آن همچنان درک نشده است. در صورتی که درک بشر از درهم‌تنیدگی کوانتومی بیشتر شود، برقراری ارتباطات سریع می‌تواند یکی از ویژگی‌های کلیدی اینترنت کوانتومی باشد. 

ضرورت دستیابی به سطوح امنیتی قابل قبول

آزمایشگاه Aeson Labs  پژوهشی در این باره انجام داده که نشان می‌دهد در شرایط عادی، الگوریتم‌های رمزگذاری می‌توانند بر مبنای سخت‌افزارهای فعلی بهترین سطح از محافظت را ارائه دهند و بر مبنای محاسبات انجام‌شده، شکستن بالاترین سطح از الگوریتم‌های رمزگذاری فعلی بر مبنای سخت‌افزارهای محاسباتی رایج به میلیاردها سال زمان نیاز دارد. 

الگوریتم‌های رمزگذاری فعلی به اندازه‌ای خوب عمل می‌‌کنند که برخی کارشناسان امنیتی مدعی شده‌اند نفوذ به یک خانه به مراتب ساده‌تر از شکستن یک کلید امنیتی مدرن است. این حرف بیان‌گر این موضوع است که پیچیدگی الگوریتم‌های رمزگذاری فعلی به‌خوبی پاسخ‌گوی نیازهای مصرف‌کنندگان است، اما با پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی، شرایط فرق می‌کند. به‌طور مثال، ما به الگوریتم‌های خاصی نیاز داریم که بر مبنای فیزیک کوانتوم قابل اجرا باشند. 

در حال حاضر رقابت سختی میان ابرکامپیوترها و سیستم‌های امنیتی در جریان است و در بهترین حالت، یک ابرکامپیوتر در مدت زمان تقریبا 5 سال قادر است یک سیستم رمز‌گذاری مدرن را شکست دهد. با این‌حال، مقاله‌ای که سال 2019 میلادی در مجله نیچر منتشر شده به این نکته اشاره دارد که شرایط برای یک پردازنده کوانتومی به گونه متفاوتی رقم می‌خورد. به‌طور معمول، یک پردازنده کوانتومی می‌تواند در عرض 200 ثانیه محاسبات و عملیاتی را مدیریت کند، در حالی که یک ابرکامپیوتر برای انجام این محاسبات به 10 هزارسال زمان نیاز دارد. بدون شک، این خبر خوبی برای کارشناسان امنیتی و شرکت‌های فعال در حوزه امنیت نیست، زیرا تنها راه مقابله با چنین پیامدی، به‌کارگیری الگوریتم‌های رمزگذاری کوانتومی است. 

اینترنت کوانتومی چه مزایایی برای کاربران عادی دارد؟ 

به زبان ساده، باید بگوییم پیاده‌سازی اینترنت کوانتومی، برای کاربران عادی تفاوت قابل توجهی به‌وجود نمی‌آورد، اما برای کاربران حرفه‌ای مزایای درخشانی دارد. افزایش امنیت و انتقال سریع داده‌ها دو معیار مهمی هستند که افراد فعال در حوزه چندرسانه‌ای، کلان‌داده‌ها و هوش مصنوعی به آن احتیاج زیادی دارند. در شرایطی که کاربران عادی سود کمی از اینترنت کوانتومی را خواهند برد، اما دولت‌ها، مشاغل خاص و شرکت‌های بزرگ فناوری به‌دلیل مزایای ارزشمندی که فناوری فوق در اختیار آن‌ها قرار می‌دهد، سرمایه‌گذاری کلانی روی آن انجام می‌دهند. 

به‌احتمال زیاد تا چند دهه آینده کاربران عادی نیازی به این نوع اینترنت ندارند و شاید در دسترس آن‌ها قرار نگیرد. در واقع، این دولت‌ها، کسب‌وکارها و پژوهشگران هستند که از مزایای اینترنت کوانتومی بهره‌مند خواهند شد. پژوهش‌های انجام‌شده نشان می‌دهند سرعت فعلی اینترنت به مراتب بیشتر از نیازهای کاربران است. به عبارت دیگر، کاربران در برخی کشورها به سرویس اینترنت 1 گیگابیت در ثانیه دسترسی دارند که تقریبا 50 برابر سرعت موردنیاز برای پخش فیلم‌ها با کیفیت 4K در پلتفرم‌های پخش ویدیو است. سرعت و قابلیت‌های اینترنت کوانتومی در حوزه‌های خاصی مثل رایانش ابری و دنیاهای مجازی تاثیرگذار خواهد بود.

آمازون، آی‌‌بی‌ام و مایکروسافت در حال حاضر دسترسی آنلاین به کامپیوترهای کوانتومی را فراهم کرده‌اند، در نتیجه تصور زمانی که سرویس‌های استریم آنلاین بازی مانند GeForce NOW از محاسبات کوانتومی استفاده کنند و از اینترنت کوانتومی برای عرضه خدمات استفاده کنند، دور از انتظار نیست. سانجای باسو، کارشناس فناوری، اعتقاد دارد اینترنت کوانتومی می‌تواند نقش کلیدی در ساخت و عملکرد دنیاهای مجازی شرکت‌های فعال در این زمینه بازی کند. مزایای امنیتی اینترنت کوانتومی به‌طور خاص برای بهبود اقتصاد دیجیتال و گسترش و رونق یافتن دنیاهای مجازی اهمیت زیادی دارد. 

ایده شکل‌گیری اینترنت کوانتومی به چه زمانی باز می‌گردد؟

به‌سختی می‌توانیم ایده اینترنت کوانتومی را جدید بنامیم، زیرا توزیع کلید کوانتومی به‌عنوان روش ارتباطی امن و دقیق مبتنی بر فیزیک کوانتومی که شامل اشتراک‌گذاری کلیدهای رمزگذاری است، اولین بار در دهه 70 میلادی مطرح شد. زمانی‌که فیزیک‌دان دانشگاه کلمبیا، استفان ویزنر، ظرفیت‌های ارتباطی این فناوری را شناسایی کرد. در اواسط دهه 80 میلادی، نظریه وایزنر توسط چارلز بنت از آی‌بی‌ام و ژیل براسارد از دانشگاه مونترال توسعه پیدا کرد و این دو محقق در 1989 موفق به ساخت و معرفی مدلی از کلید توزیع کوانتومی (Quantum Key Distribution) شدند که یکی از مولفه‌های اصلی اینترنت کوانتومی است.

تا به‌امروز، شرکت‌های بزرگی مثل آمازون، گوگل، آی‌بی‌ام و مایکروسافت به‌دلیل مزایای شاخص اینترنت کوانتومی مثل سرعت بالای ارتباط یا سطح امنیتی بالا، سرمایه‌گذاری کلانی روی توسعه آن انجام داده‌اند. همچنین، دانشمندان زیادی در چین، ایالات متحده و هلند سرگرم تحقیق در این حوزه هستند. جالب آن‌که، چین در حوزه ثبت سرعت انتقال داده‌های کوانتومی رکوردهای مهمی را شکسته و در هلند محققان موسسه محققان qutech یک شبکه کوانتومی پایدار مبتنی بر درهم‌تنیدگی توسعه داده‌اند. در ایالات متحده، دانشمندان با متصل کردن اتم‌ها به یک‌دیگر موفق به ساخت یک حافظه کوانتومی شده‌اند. 

زنجیره بلوکی و اینترنت کوانتومی چه ارتباطی با یک‌دیگر دارند؟

بزرگ‌ترین مزیت سیستم‌های مبتنی بر زنجیره بلوکی، امنیت و عدم تمرکز آن‌‌ها است، اما انقلاب کوانتومی از زوایای مختلف تهدیدی جدی برای سیستم‌های مبتنی بر زنجیره بلوکی، رمز‌ارزها و توکن‌های غیرمثلی (NFT) است. همان‌گونه که اشاره کردیم، کامپیوترهای کوانتومی تهدیدی مهم برای الگوریتم‌های امنیتی فعلی هستند. الگوریتم‌هایی که مردم برای ساخت کلید‌های امنیتی و محافظت از ارزهای دیجیتال خود از آن‌ها استفاده می‌کنند. 

همچنین، این خطر وجود دارد که یک کامپیوتر کوانتومی به‌سادگی یک شبکه زنجیره بلوکی را از میان ببرد. این نگرانی باعث شد تا جامعه ارزهای دیجیتال به‌فکر راه‌حلی برای این مشکل باشد و حتا پیشنهاد توسعه ارزهای دیجیتال مبتنی بر محاسبات کوانتومی به‌نام Quantum Proofing را ارائه کرد. البته شرکت‌های بزرگ فعال در زمینه محاسبات کوانتومی مثل آی‌بی‌ام سعی می‌کنند توازنی در این زمینه برقرار کنند؛ به این صورت که ضمن توسعه پردازنده‌های کوانتومی پیشرفته، روی رمزگذاری‌های ضد‌کوانتومی هم کار می‌کنند.

دانشمندان چگونه قادر به رفع محدودیت‌های اینترنت کوانتومی هستند؟

درست به همان شکلی که می‌توان چند کامپیوتر را به یک شبکه متصل کرد، کامپیوترهای کوانتومی نیز قادر به برقراری ارتباط با یک‌دیگر و اشتراک‌گذاری منابع هستند. اتصال چند کامپیوتر کوانتومی به یک‌دیگر به ما اجازه می‌دهد تا پیچیده‌ترین مشکلات دنیای واقعی را حل کنیم و راهکاری برای غلبه بر محدودیت‌های کامپیوترهای کلاسیک ارائه دهیم. قابلیت‌هایی که اینترنت کوانتومی در اختیار ما قرار می‌دهد، بخش عمده‌ای از ناکارآمدی‌ شبکه‌های مدرن را برطرف می‌کند و به دستگاه‌های مختلف اجازه می‌دهد در قالب یک دستگاه واحد کار کنند‌، درست مشابه حالتی که هسته‌های چندگانه پردازنده‌های دستگاه‌های هوشمند قادر به برقراری ارتباط با یک‌دیگر هستند. علاوه بر این، امکان اتصال دستگاه‌ها به‌شکل متوالی می‌تواند مشکلات مربوط به فضا، انرژی مورد نیاز و مکانیزم‌های سرمایشی را حل کند. البته در مقطع فعلی، پردازنده‌های کوانتومی فعلی باید با نیتروژن مایع خنک شوند که به فضای زیاد و امکانات تخصصی نیاز دارد.

چگونه Web3 در قالب اینترنت کوانتومی توسعه پیدا می‌کند؟

پیشرفت محاسبات از طریق اینترنت کوانتومی باعث پدید آمدن مفهومی می‌شود که کارشناسان دانشگاه شیکاگو آن‌را هوش «مصنوعی سوپرشارژ» نام‌گذاری کرده‌اند؛ یک هوش مصنوعی کارآمد که مزایای گسترده‌ای در زمینه توسعه وب و یادگیری ماشین ارائه می‌دهد. به‌طور خلاصه، اگر رایانش کوانتومی در زمان کوتاه‌تری در اختیار ما قرار بگیرد، فرآیند توسعه و پیاده‌سازی وب 3.0 به‌شکل دقیق‌تری انجام خواهد شد. نکته‌ای که باید در این زمینه به آن اشاره داشته باشیم این است که اینترنت کوانتومی می‌تواند برای وب 3.0 نیز تهدیدی باشد، زیرا وب غیرمتمرکز همسو با فناوری زنجیره بلوکی است و همان‌گونه که اشاره کردیم، طراحی زنجیره بلوکی فعلی به‌شدت در برابر اینترنت و کامپیوترهای کوانتومی آسیب‌پذیر است. درست است که وب 3.0 فرآیند راه‌اندازی پیچیده‌ای ندارد، اما شبیه دنیای ارزهای دیجیتال باید به‌سرعت خود را با چالش‌های امنیتی محاسبات کوانتومی و اینترنت کوانتومی هماهنگ کند. 

فرآیند توسعه اینترنت کوانتومی در چه مرحله‌ای قرار دارد؟ 

کارشناسان بر این باور هستند که اینترنت کوانتومی در سال 2030 میلادی راه‌اندازی خواهد شد، با این‌حال، نباید تصور کنیم هنگامی که اینترنت کوانتومی عرضه می‌شود، تغییرات قابل توجهی را به‌وجود آورد، زیرا شبکه‌های کوانتومی و اینترنت کوانتومی در روزهای اول پیدایش به‌شدت به فناوری‌های فعلی یعنی کابل‌های فیبر نوری و رله‌ها وابسته است. فارغ از این مسئله که ارتباطات سریع ایده‌آل هستند، مشکل بزرگ دیگری که وجود دارد، درهم‌تنیدگی کوانتومی بسیار شکننده است. در حال حاضر می‌توان بخش‌هایی از یک ذره درهم‌تنیده را اندازه‌گیری کرد و اندازه دیگری را هم کشف کرد، اما مشکل این است که با اندازه‌گیری نمی‌توان با مواردی که قبلا تنظیم شده‌اند ارتباط برقرار کرد. علاوه بر این، تغییر خواص یک ذره کوانتومی مانند تغییر

1 به 0 می‌تواند برای انتقال پیام استفاده شود، اما به محض این‌که کاری بیش از اندازه‌گیری یک ذره انجام شود، درهم‌تنیدگی از بین می‌رود. واقعیت این است که درک ما از درهم تنیدگی و مکانیک کوانتومی هنوز کامل نشده است. یک پیشرفت کوچک در این حوزه می‌تواند چیزهایی که در حال حاضر غیرممکن به‌نظر می‌رسد را امکان‌پذیر کند.