گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
در سالیان اخیر بخش عمده‌ای از پژوهش‌های حوزه فناوری بر توسعه اینترنت کوانتومی متمرکز شده است. اما اینترنت کوانتومی چیست؟
شاید کمی شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر برسد، اما برخی کارشناسان از همین حالا معتقدند اینترنت کوانتومی طی تنها کمتر از یک دهه آینده می‌تواند به واقعیت بدل شود. اینترنت کوانتومی متکی به فضای خاصی است که در آن مواردی مانند انتقال در مسافت‌های طولانی و سفر در زمان امکان‌پذیر است و این می‌تواند تکنولوژی را به سطح جدیدی منتقل کند. اما چه چیزی باعث می‌شود اینترنت کوانتومی کار کند؟ اصلا اینترنت کوانتومی چیست؟
کوانتوم چیست؟
در فیزیک، کوانتوم به کمترین مقدار یا مقدار پایه از یک کمیت اشاره دارد که می‌تواند در تعامل با هر واحد دیگری باشد و مکانیک کوانتومی هم به مطالعه نحوه رفتار این واحدهای کوچک می‌پردازد. دانشمندان متوجه شده‌اند که واحدهای کوانتومی دارای خواص بسیار منحصر به فردی هستند که می‌تواند در رسیدن به ایده اینترنت کوانتومی بسیار مفید فایده باشد.
در دنیای فیزیکی، همه ما و همه اشیا اطراف‌مان در محدوده قوانین فیزیکی مربوط به اجسام عمل می‌کنیم و به همین دلیل در دنیای کلاسیک اشیا نمی‌توانند سریعتر از نور حرکت کنند و از نیروهای بازدارنده‌ای چون گرانش تاثیر می‌پذیرند.
اما با توجه به این مهم که واحدهای کوانتومی می‌توانند خارج از قلمرو فیزیکی وجود داشته باشند، می‌توانند تحت قوانین متفاوتی عمل کنند. به بیان بهتر در دنیای کوانتومی اشیا می‌توانند سریعتر از نور حرکت کنند، به گذشته بروند یا حتی از راه دور جابجا شوند. با وجود اینکه اجسام فیزیکی نمی‌توانند در فضای کوانتومی کارآیی داشته باشند، اما اجسام از فضای کوانتومی می‌توانند وارد دنیای واقعی شوند که این مورد برخی احتمالات هیجان‌انگیز را در اختیار محققان قرار می‌دهد.
کیوبیت در اینترنت کوانتومی چیست؟
محاسبات مدرن حول محور بیت‌ها متمرکز است که به صورت کد باینری (دودویی) عمل می‌کنند یعنی همه یا روی 0 (خاموش) یا روی 1 (روشن) تنظیم شده‌اند. هر بیت ممکن است حالت را از خاموش به روشن یا بالعکس تغییر دهد و تغییر این بیت‌ها است که برنامه‌ها را تغییر می‌دهد و نهایتا در یک کلام منجر به کار کردن سیستم کامپیوتری می‌شود.
بیت‌ها در کمتر از یک میلیاردم ثانیه بین 1 و 0 جابجا می‌شوند و با وجود اینکه چنین سرعتی زیاد به نظر می‌رسد، اما در مورد برخی برنامه‌ها و عملکردهای خاص حتی کافی هم نیست. کامپیوترهای امروزی برای وب‌گردی، پخش آنلاین و یا بازی‌های گرافیکی سنگین بسیار مناسب هستند اما دانشمندان برای کشف اسرار جهان به چیزی بیش از مک‌بوک‌پرو نیاز دارد.
حتی در صورت بهبود سخت‌افزارها، بیت‌ها و سخت‌افزاری که از آنها استفاده می‌کند باز هم در دنیایی فیزیکی وجود دارند و در نتیجه در چارچوب قوانین فیزیکی که پیش‌تر ذکر کردیم محدود می‌شوند.
اما در مقابل این سد سخت که مانع از بهبود سرعت عمل می‌شود، کیوبیت که مایکروسافت آن را واحد اساسی اطلاعات در محاسبات کوانتومی تعریف کرده است، می‌تواند کلید راه‌گشای مشکلات باشد. کیوبیت در واقع بخشی از داده‌های کوانتومی است که می‌تواند در فضای کوانتومی کار کند.
از آنجایی که فضای کوانتومی از فضای فیزیکی متفاوت است، قوانین محدود کننده فضای فیزیکی بر کیوبیت‌ها و عملکرد آنها موثر نیست و در نتیجه محدودیت‌های سرعت به سادگی قابل رفع است.
دیگر ویژگی‌های کیوبیت چیست؟
فراتر از حذف محدودیت‌های فیزیکی، کیوبیت‌ها ویژگی‌های جالب دیگری هم دارند. برای مثال و در حالی که یک بیت معمولی در محاسبات امروزین تنها مانند یک سوئیچ باینری تنها می‌تواند حالت روشن یا خاموش داشته باشد، یک کیوبیت می‌تواند مانند گربه شرودینگر باشد، یعنی کیوبیت در لحظه هم خاموش (0)، هم روشن (1) و هم همه چیزهای میان این دو را شامل می‌شود تا زمانی که به دنیای فیزیکی آمده و به یکی از حالت‌ها بدل شود.
ذرات همچنین می‌توانند از طریق درهم‌تنیدگی کوانتومی به هم پیوند داده شوند و با اینکار در لحظه‌ای که یک اتفاق برای یک ذره می‌افتد، ذره دیگر هم بلافاصله تاثیری عکس می‌پذیرد. برای مثال اگر یک ذره در خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخد، با اطمینان کامل باید گفت که یک ذره دیگر در جهت حرکت عقربه‌ها در گردش است، حتی اگر یک میلیارد مایل دورتر و غیرقابل مشاهده باشد.
البته در حاضر دانشمندان درهم‌تنیدگی کوانتومی را بسیار شکننده می‌دانند و این موضوع برای جنبه امنیتی اینترنت کوانتومی عالی است چراکه هر نوع تداخل مانند تلاش برای هک کاملا مشخص شده و بلافاصله همه به آن پی‌می‌برند. اما از سویی این عملکرد برای جنبه ارتباطی چندان مفید نیست چراکه ضبط یک پیام مستلزم تغییر وضعیت است و در حال حاضر راهی برای تعییر حالت یک ذره بدون از بین رفتن درهم‌تنیدگی وجود ندارد.
مزایای اینترنت کوانتومی چیست؟
اصلی‌ترین مزیت اینترنت کوانتومی مربوط به امنیت آن است، کارشناسان دانشکده مهندسی هاروارد نظریه‌ای مبنی بر غیرقابل هک بودن اینترنت کوانتومی دارند. در واقع به جای محاسبات ریاضی که ممکن است حاوی نقایضی قابل سو استفاده برای هکرها باشند، یک هکر برای هک کردن در اینترنت کوانتومی باید راهی برای شکستن قوانین فیزیک یا مکانیک کوانتومی پیدا کند تا بتواند داده‌های یک ارتباط کوانتومی را جمع‌آوری کند.
اگر یک هکر یک کیوبیت را در حال انتقال رهگیری کند، وضعیت کیوبیت تغییر می‌کند و نه تنها اطلاعات جمع‌آوری شده بی‌فایده هستند بلکه طرفین ارتباط بلافاصله از تلاش هکر آگاه می‌شوند. اما دیگر مزیت اینترنت کوانتومی چیست؟
موسسه تحقیقاتی TuDelft معتقد است که با تکامل و پیاده‌سازی اینترنت کوانتومی، GPS بسیار بهتر، ساعت‌های کوانتومی به مراتب دقیق‌تر، ارتباطات فوری‌تر و پیشرفت‌های امنیتی سیستم‌ها قدرتمند‌تر و قابل اطمینان‌تر خواهد بود. همه این‌ها نمونه‌هایی از امکانات نوین اینترنت کوانتومی است که به طور موثری به بهبود فناوری فعلی کمک می‌کند.
مشکلات اینترنت کوانتومی چیست؟
همچنان در شبکه‌های اینترنت کوانتومی نقاط ضعف قابل بهره‌برداری وجود دارد که البته همگی فیزیکی هستند. دیوید ویندر، روزنامه‌نگار حوزه فناوری می‌گوید که کابل‌های فیبر نوری که در حال حاضر برای انتقال داده‌ها استفاده می‌شوند ممکن است یکی از این موارد باشد و اگر داده‌ها در جریان انتقال آسیب نبینند، ممکن است در جایی که ذخیره می‌شوند آسیب‌پذیر باشند.
اگرچه در حال حاضر شبیه‌سازی یک حالت کوانتومی دقیق ناممکن است، اما تیمی از دانشگاه اتاوا موفق به خلق نسخه‌های با وفاداری بالا از فوتون‌ها در ارتباطات شده که آسیب‌پذیری بالقوه داده‌های در حال انتقال کوانتومی را نشان می‌دهد. اما اینترنت کوانتومی در هر حال به مراتب امن‌تر از روش‌های ارتباطی فعلی است.
در حال حاضر عموم محققان در تلاش برای ساخت اینترنت کوانتومی حول مفهوم درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند. ارتباطات کوانتومی در حال حاضر شامل درهم‌تنیدگی دو فوتون و فرستادن یکی به کابل فیبر نوری است، اما در نهایت ممکن است در آینده بتوانیم داده‌ها را مستقیما بین ذرات کوانتومی رله کرده و کابل‌ها را به طور کامل از فرایند ارتباطات اینترنت کوانتومی حذف کنیم.
البته در مرحله اولیه راه‌اندازی اینترنت کوانتومی بعید است شاهد حذف کابل‌ها باشیم چراکه دانشمندان همچنان در حال تلاش برای درک دقیق‌تر نحوه عملکرد درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند. با وجود اینکه وجود درهم‌تنیدگی کوانتومی و راه‌هایی برای کنترل آن تایید شده است، اما نحوه دقیق عملکرد آن همچنان درک نشده است. در صورتی که درک بشر از درهم‌تنیدگی کوانتومی بهبود یابد، ارتباط فوری و سریع می‌تواند یکی از ویژگی‌های کلیدی اینترنت کوانتومی 2.0 باشد.
ضرورت بالا رفتن سطوح امنیتی
در حالت عادی، سطح بالای رمزگذاری فعلی با تجهیزات محاسباتی موجود به اندازه کافی غیرقابل عبور است و در واقع بنابر محاسبات انجام شده، شکستن بالاترین سطح رمزگذاری فعلی با فناوری‌های محاسباتی رایج بیش از میلیاردها سال طول می‌کشد.
اذعان پلیس فدرال آمریکا به اینکه نفوذ به یک خانه بسیار ساده‌تر از شکستن یک کلید امنیتی مدرن است حاکی از درجه سختی رمزگذاری مدرن است، اما با پیشرفت سریع کامپیوترهای کوانتومی، باید سطوح امنیتی هم پیشرفت کنند.
در حال حاضر یک رقابت بین ابررایانه‌ها و سیستم‌های امنیتی در جریان است و در بهترین حالت، یک ابررایانه ممکن است در مدت زمانی حدودا 5 ساله بتواند یک سیستم رمزگذاری مدرن را شکست دهد. اما بنابر مقاله‌ای که در سال 2019 توسط نیچر منتشر شده است، در مورد یک پردازنده کوانتومی اوضاع متفاوت است.
یک پردازنده کوانتومی می‌تواند در عرض 200 ثانیه محاسبات و عملیاتی را مدیریت کند که برای یک ابررایانه مدرن امروزین ممکن است 10 هزارسال طول بکشد. این خبر وحشتناکی برای استانداردهای امنیتی مدرن است و تنها واکنش مناسب در قبال آن، رسیدن به سطح امنیت کوانتومی است.
کاربران عادی چه تفاوتی را تجربه می‌کنند؟
به ساده‌ترین بیان ممکن باید گفت اینترنت کوانتومی در صورت تحقق برای هیچ‌یک از فعالیت‌های روزمره و آنلاین ما ضروری نیست و آنچه ارائه می‌دهد تنها افزایش قابل توجه امنیت و انتقال سریع داده‌ها است که احتمالا هیچ کاربر عادی متوجه آن نخواهد شد چراکه پیشرفت‌های امنیتی بیشتر در پشت صحنه رخ می‌دهد.
البته اینکه کاربران عادی به اینترنت کوانتومی نیاز ندارد یا حتی ممکن است در صورت تحقق در دسترس‌شان قرار داده نشود دلیلی بر عدم توسعه و تحقیق در این حوزه نیست چراکه دولت‌ها، برخی مشاغل خاص، شرکت‌های بزرگ فناوری و البته دانشمندان به مزایای آن نیاز مبرمی دارند.
سرعت اینترنت فعلی که تا 1 گیگابایت بر ثانیه هم می‌رسد می‌تواند تمام نیازهای کاربران عادی برای نقل و انتقال داده و اطلاعات را برآورده کند، این بیش از 50 برابر سرعت مورد نیاز یوتیوب برای پخش ویدیو‌ها در کیفیت 4K است.
اما سرعت و قابلیت‌های اینترنت کوانتومی می‌تواند بر مواردی چون متاورس یا رایانش ابری موثر واقع شود. آمازون، IBM و مایکروسافت در حال حاضر دسترسی آنلاین به رایانه‌های 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 بهره ببرند چندان دشوار نیست.
برخی کارشناسان حوزه فناوری معتقدند که اینترنت کوانتومی می‌تواند نقشی حیاتی در ساخت و عملکرد متاورس مدنظر شرکت متا داشته باشد. مزایای امنیتی اینترنت کوانتومی به طور خاص برای اقتصاد و سیستم تجاری مدرنظر متاورس کارآمد و ضروری است. مفاهیمی مانند تصادفی بودن کوانتومی که از خواص مهم مکانیک کوانتوم است و در ایجاد اعداد واقعا تصادفی کارآمد است، سوگیری‌های قابل سواستفاده را از الگوریتم های متاورس حذف می‌کند.
ایده اینترنت کوانتومی متعلق به چه زمانی است؟
شاید نتوان گفت ایده اینترنت کوانتومی خیلی جدید است چراکه توزیع کلید کوانتومی به عنوان روش ارتباطی امن و دقیق مبتنی بر فیزیک کوانتومی که شامل به اشتراک‌گذاری کلیدهای رمزگذاری شده است، اولین بار در دهه 1970 میلادی مطرح شد. زمانی که فیزیکدان دانشگاه کلمبیا، استفان ویزنر پتانسیل‌های ارتباطی مناسبی را در قوانین فیزیک کوانتوم تشخیص داد.
در اواسط دهه 1980 بود که ایده وایزنر توسط چارلز بنت از IBM و ژیل براسارد از دانشگاه مونترال توسعه یافت و این دو در 1989 نهایتا موفق به ایجاد و معرفی مدلی از کلید توزیع کوانتومی (QKD) شدند که یکی از اجزای اصلی ایده اینترنت کوانتومی است.
چندین دولت مهم و چندین شرکت بزرگ مانند آمازون، گوگل، آی‌بی‌ام و مایکروسافت به دلیل مزایای خاص اینترنت کوانتومی نظیر سرعت بالای ارتباط یا سطح امنیتی بالا در حال حاضر علاقه زیادی به سرمایه‌گذاری در حوزه اینترنت کوانتومی و توسعه آن دارند.
دانشمندان زیادی در چین، ایالات متحده و هلند در حال تحقیق در این حوزه هستند؛ چین در حوزه ثبت سرعت انتقال داده‌های کوانتومی رکوردهای مهمی را شکسته است و در هلند یک شبکه کوانتومی پایدار مبتنی بر درهم‌تنیدگی ایجاد شده است. در ایالات متحده آمریکا هم دانشمندان با زنجیر کردن اتم‌ها به یکدیگر یک حافظه کوانتومی ایجاد کرده‌اند.
ارتباط بلاکچین با اینترنت کوانتومی چیست؟
اصلی‌ترین مزیت سیستم‌های مبتنی بلاکچین، امنیت و عدم تمرکز آنها است اما انقلاب کوانتومی از جهات بسیاری تهدیدی مهم برای سیستم‌های مبتنی بر بلاکچین، رمز‌ارزها و توکن‌های غیرمثلی (NFT) محسوب می‌شود و بیشتر این تهدیدها از نوع امنیتی است.
همانطور که پیش از این نیز گفتیم، رایانه‌های کوانتومی تهدیدی مهم برای شکستن الگوریتم‌های امنیتی فعلی هستند و برخی از همین الگوریتم‌های فعلی، ایجاد کلیدهای امنیتی است که مردم برای حفاظت از ارزهای دیجیتال خود از آنها استفاده می‌کنند. همچنین این خطر وجود دارد که یک کامپیوتر کوانتومی به سادگی یک بلاکچین را از بین ببرد.
این نگرانی منجر به تمرکز جدی برای اصلاح کوانتومی جامعه ارزهای دیجیتال شده است و حتی چند ارز دیجیتال جدید از تصفیه کوانتومی به عنوان نقطه فروش استفاده می‌کنند. البته شرکت‌های چون IBM هر دو طرف را حفظ می‌کنند بدین معنا که ضمن توسعه پردازنده‌های کوانتومی پیشرفته، روی رمزگذاری‌های ضد کوانتومی هم کار می‌کنند.
البته برخی تحلیلگران مانند راجر هوانگ در فوربس با این استدلال‌ها قانع نشده‌اند اما انقلاب کوانتومی برای بسیاری از فعالان و عناصر کلیدی جامعه کریپتو خطر بزرگی است که نمی‌توان آن را نادیده گرفت. البته حوزه کریپتو از حوزه‌هایی است که در سالیان اخیر به سرعت در حال پیشرفت بوده است و احتمالا در برابر خطرات وحشتناک پردازشگرهای کوانتومی هم، ناگزیر خود به اینترنت کوانتومی رو می‌آورد.
رفع محدودیت‌های اینترنت کوانتومی ممکن است؟
در طول این مقاله بارها به محاسبات کوانتومی اشاره شد و علت آن هم اینکه اینترنت و محاسبات کوانتومی آنقدر عمیق به هم تنیده شده‌اند که جدا کردن این دو غیرممکن است.
به همان ترتیبی که می‌توان چند کامپیوتر را به یک شبکه متصل کرد، کامپیوترهای کوانتومی هم به هم متصل شده و منابع خود را به اشتراک می‌گذارند. اتصال چند کامپیوتر کوانتومی و شکل‌گیری ابررایانه‌های کوانتومی می‌تواند برای حل دشوار‌ترین مشکلات بشری و مقابله با ناکارآمدی‌های دیگر رایانه‌های کوانتومی مانند ابررایانه‌های فعلی مناسب باشد.
امکانات اینترنت کوانتومی بسیاری از ناکارآمدی‌های شبکه‌های مدرن را از بین می برد و به چندین دستگاه اجازه می‌دهد تا به عنوان یک دستگاه واحد کار کنند، دقیقا مشابه به هسته‌های چندگانه پردازنده‌های دستگاه‌های هوشمند امروزین.
از سوی دیگر امکان اتصال دستگاه‌ها به صورت متوالی می‌تواند مشکلات مربوط به فضا، برق مورد نیاز و خنک‌کننده را هم حل کند البته پردازنده‌های کوانتومی فعلی باید با نیتروژن مایع خنک شود که به فضای زیاد و امکانات تخصصی نیاز دارد.
چگونه Web3 در اینترنت کوانتومی اجرا می‌شود؟
پیشرفت محاسبات توسط اینترنت کوانتومی منجر به چیزی می‌شود که کارشناسان دانشگاه شیکاگو آن را هوش مصنوعی سوپرشارژ می نامند. هوش مصنوعی بهتر دارای مزایای گسترده‌ای در چندین زمینه از جمله توسعه وب و یادگیری ماشینی است. به طور خلاصه، اگر محاسبات کوانتومی به زودی قابل دوام و قابل دسترس شود، فرایند توسعه و پیاده سازی Web3 به طور گسترده‌ای از آن سود خواهد برد.
البته که اینترنت کوانتومی می‌تواند برای وب 3.0 تهدید هم قلمداد شود، چراکه وب غیرمتمرکز پیشنهادی به فناوری بلاکچین متمرکز است و همانطور که بحث کردیم، طراحی بلاکچین فعلی به شدت در برابر اینترنت و کامپیوترهای کوانتومی آسیب‌پذیر است. گرچه وب 3.0 فرایند راه‌اندازی دشواری ندارد اما به مانند دنیای کریپتو باید به سرعت خود را با چالش‌های امنیتی محاسبات کوانتومی و اینترنت کوانتومی وفق دهند.
اینترنت کوانتومی در حال حاضر در چه وضعیتی است؟
کارشناسان خوش‌بین می‌گویند که تا سال 2030 اولین اینترنت کوانتومی کاربردی راه‌اندازی می‌شود. اما نباید تصور کنیم که اینترنت کوانتومی زمانی که برای اولین بار عرضه می‌شود بتواند آن پیشرفت چشمگیری را عرضه کند که انتظار می‌رود. چراکه بر اساس نحوه عمل شبکه‌های کوانتومی حال حاضر، انتشار اولیه اینترنت کوانتومی به شدت به فناوری فعلی یعنی کابل‌های فیبر نوری و رله‌ها وابسته است و بخش‌های مهمی از اینترنت فعلی نیز بر فیبر نوری برای انتقال سریع داده‌ها مبتنی است.
از سوی دیگر برخی موارد همچنان خارج از توان و امکانات ما است. در شرایطی که واحدهای کوانتومی می‌توانند کارهای ظاهرا غیرممکن را در دنیای کوانتومی انجام دهند اما تنها ورود آنها به دنیای فیزیکی و محدود خودمان است که سبب می‌شود این واحدهای کوانتومی هم دقیقا مشمول همین قوانین شده و محدود شوند. در نتیجه در حال حاضر به سخت‌افزارهای کوانتومی خاصی نیاز است که واقعا هیچ‌کس نمی‌داند چه زمانی ممکن است در دسترس باشند.
فراتر از اینکه ارتباطات سریع بسیار ایده‌آل محسوب می‌شود، مشکل اصلی دیگر این است در حال حاضر 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 شده ارتباط برقرار کرد. از سویی 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 داده شود، درهم‌تنیدگی از بین می‌رود.
درک ما از درهم تنیدگی و مکانیک کوانتومی هنوز به طور مداوم در حال توسعه است. یک پیشرفت کوچک یا اکتشاف کوچک در این حوزه، هم می‌تواند چیزهایی که در حال حاضر غیرممکن به نظر می‌رسد را ممکن کند، هم ممکن است همه رویاهای محققان را بر باد دهد. به نظر شما، آینده اینترنت کوانتومی چیست؟
