فرارو- تحقیقات کوانتومی در دانشگاه شیکاگو می تواند به جلوگیری از هک و محاسبات ابری در آینده کمک کند.
به رابل فرارو به نقل از پست واشترانگون، راز یک اینترنت امن تر و قدرتمندتر که هک کردن آن به طور بالقوه غیرممکن است، ممکن است در زیرزمین پنهان شود. این زیرزمین کوچک با عرض 91 سانتی‌متر در بخش آزمایشگاهی دانشگاه شیکاگو حاوی کابینت‌های نازکی از سخت‌افزار است که با دقت ذرات کوانتومی را به یک شبکه فیبر نوری پرتاب می‌کند. هدف از این کار چیست؟ استفاده از اشیاء کوچک طبیعت برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات تحت رمزگذاری که شکسته نشده اند و در نهایت برای اتصال شبکه های کامپیوترهای کوانتومی که قادر به انجام محاسبات هرکولی یا غول پیکر هستند.
ایالات متحده، چین و دیگران در حال حاضر در حال رقابت برای استفاده از خواص ذرات کوانتومی عجیب و غریب برای پردازش اطلاعات و روش های مدرن قدرتمند هستند. فناوری که می تواند منافع اقتصادی و امنیت ملی عمده ای را برای کشورهایی که بر آن تسلط دارند به ارمغان بیاورد.
تحقیقات کوانتومی آنقدر برای آینده اینترنت مهم است که بودجه جدید فدرال، از جمله بودجه تعیین شده در قانون جدید تصویب شده، تراشه ها و علم را بررسی می کند. این به این دلیل است که کوانتوم اینترنت می تواند از تراکنش های مالی و داده های مراقبت های بهداشتی محافظت کند، از سرقت هویت جلوگیری کند و هکرهای متخاصم دولت را متوقف کند.
هفته گذشته، سه فیزیکدان جایزه نوبل تحقیقات کوانتومی را به اشتراک گذاشتند که به هموار کردن راه برای آینده اینترنت کمک کرد.
تحقیقات کوانتومی هنوز موانع زیادی برای غلبه بر قبل از استفاده گسترده دارد. با این حال، بانک ها، شرکت های مراقبت های بهداشتی و سایر بخش ها شروع به آزمایش اینترنت کوانتومی کرده اند. برخی از صنایع نیز در مراحل اولیه کار با رایانه‌های کوانتومی هستند تا ببینند آیا می‌توانند در نهایت مشکلاتی را که رایانه‌های کنونی قادر به حل آنها نیستند، مانند کشف داروهای جدید برای درمان بیماری‌های سخت‌درمان، حل کنند.
گرانت اسمیت، دانشجوی کارشناسی ارشد در تیم تحقیقاتی در دانشگاه شیکاگو، می گوید که برای تصور همه کاربردهای بالقوه خیلی زود است. وی در بازدید اخیر از آزمایشگاه های دانشگاهی گفت: زمانی که مردم برای اولین بار اینترنت پایه را اختراع کردند که کامپیوترها را در سطح پژوهشی، دانشگاه ها و آزمایشگاه های ملی به هم متصل می کرد، نمی توانستند تجارت الکترونیک را پیش بینی کنند.
مطالعه فیزیک کوانتومی در آغاز قرن بیستم آغاز شد، زمانی که دانشمندان کشف کردند که کوچکترین عناصر جهان، اتم ها و ذرات، برخلاف ماده موجود در جهان در مقیاس بزرگ، دارای سرعت زیر اتمی هستند، گویی در چندین مکان به نظر می رسد. همزمان.
این اکتشافات که اولین “انقلاب کوانتومی” نامیده می شود، منجر به ظهور فناوری های جدیدی مانند لیزر و ساعت اتمی شد. با این حال، تحقیقات کنونی دانشمندان را به مهار قدرت های عجیب دنیای کوانتومی نزدیک می کند.
«دیوید آوشالوم»، استاد دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر در دانشگاه شیکاگو و رهبر تیم کوانتومی، این را دومین انقلاب کوانتومی می نامد. او می گوید که این رشته “به دنبال مهندسی راهی است که طبیعت در ابتدایی ترین سطح خود با جهان حرکت کند و از این سرعت ها برای فناوری ها و برنامه های مدرن استفاده کند.”
رایانه‌ها و شبکه‌های ارتباطی اطلاعات موجود را با تجزیه آن به جریان‌های طولانی بیت‌ها، که معمولاً پالس‌های الکتریکی یا نوری هستند که صفر یا یک را نشان می‌دهند، ذخیره، پردازش و انتقال می‌دهند.
ذرات کوانتومی که به بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نیز گفته می‌شود، می‌توانند به صورت صفر و یک به طور همزمان وجود داشته باشند، یا در هر موقعیتی، انعطاف‌پذیری به اصطلاح «ابرجایگاه» وجود داشته باشند که به آن ذرات اجازه می‌دهد اطلاعات را به روش‌های جدیدی پردازش کنند. برخی از فیزیکدانان آن را با یک سکه در حال چرخش مقایسه می کنند که هم زمان سر و هم دم است. همچنین، بیت‌های کوانتومی می‌توانند درهم‌تنیدگی‌هایی را نشان دهند که در آن دو یا چند ذره به‌طور جدانشدنی به هم مرتبط هستند و دقیقاً همدیگر را منعکس می‌کنند، حتی زمانی که با فاصله فیزیکی زیادی از هم جدا شوند. آلبرت انیشتین این حرکت را “حیرت انگیز از راه دور” نامید.
سخت افزار در زیرزمین ایستگاه به یک شبکه فیبر نوری 199 کیلومتری متصل است که از محوطه دانشگاه در سمت جنوبی شیکاگو به دو آزمایشگاه فدرال در حومه Ghiri که در تحقیق همکاری می کنند، یعنی Argon متصل است. آزمایشگاه ملی و آزمایشگاه شتاب دهنده شرکت ملی.
این تیم از فوتون‌ها، که ذرات کوانتومی نور هستند، برای ارسال کلیدهای رمزگذاری روی شبکه استفاده می‌کنند تا ببینند چگونه از فیبرهایی که در زیر بزرگراه‌ها، پل‌ها و باجه‌های عوارض عبور می‌کنند، عبور می‌کنند. ذرات کوانتومی بسیار ظریف هستند و به دلیل اختلالات کوچک مانند ارتعاشات یا تغییرات دما تمایل به عملکرد نادرست دارند. بنابراین فرستادن آن ذرات به فواصل طولانی واقعاً دشوار است.
در زیرزمین دانشگاه، یک قطعه سخت افزاری که توسط شرکت ژاپنی توشیبا ساخته شده است، جفت فوتون های بسته بندی شده را با هم ساطع می کند و یکی از هر جفت را از طریق شبکه ای به آرگون، که در 48 کیلومتری لمونت است، می فرستد. یک کلید رمزگذاری روی رشته ای از دو فوتون کدگذاری شده است.
از آنجایی که جفت ها در یکدیگر پیچیده هستند، کاملاً با یکدیگر سازگار هستند. اوشالوم می گوید: از یک جهت می توان به آن به عنوان یک اطلاعات نگاه کرد. هنگامی که فوتون ها به آرگون سفر کردند، دانشمندان فوتون ها را در آنجا اندازه گرفتند و کلید را استخراج کردند. آوشالوم می گوید هر کسی که به دنبال کلیدی برای هک باشد شکست خواهد خورد زیرا قوانین مکانیک کوانتومی می گوید که هر جستجوی برای مشاهده ذرات در حالت کوانتومی به طور خودکار ذرات را تغییر داده و اطلاعات در حال انتقال را از بین می برد. همچنین به فرستنده و گیرنده در مورد جستجوی استراق سمع هشدار می دهد.
«استفن گیروین»، استاد فیزیک دانشگاه ییل، درباره اکتشافات اخیر در فناوری کوانتومی می گوید: «مشکلات فنی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. با این حال، می توانید استدلال کنید که این می تواند به اندازه انقلاب تکنولوژیکی قرن بیستم مهم باشد که لیزرها، ترانزیستورها و ساعت های اتمی و در نتیجه GPS و اینترنت را معرفی کرد.
یکی از مشکلاتی که آنها سعی در حل آن دارند این است که همانطور که ذرات کوچک نور را از الیاف شیشه عبور می دهند، نقص در شیشه باعث می شود نور پس از طی مسافت مشخصی کاهش یابد. بنابراین، محققان به دنبال ایجاد دستگاه‌هایی هستند که بتوانند اطلاعات را ضبط کرده و ذرات نور را در حین حرکت ذخیره کنند و سپس اطلاعات را با ذرات جدیدی مانند فوتون اکسپرس پونی ارسال کنند.
زالدون، یکی از افراد درگیر در این تحقیق، با پوشیدن دستکش لاتکس بنفش برای جلوگیری از آسیب به سطح، یک برد مدار کوچک حاوی دو تراشه کاربید سیلیکون را در دست دارد که او و همکارانش در حال آزمایش آن به عنوان وسیله ای برای ذخیره و کنترل اطلاعات به نام کوانتوم هستند. بیت . . سپس، در همان روز، زلدون برنامه‌ریزی کرد تا تراشه‌ها را تا دمای بسیار پایین خنک کند و آن تراشه‌ها را زیر میکروسکوپ بررسی کند تا به دنبال بیت‌های کوانتومی کاشته شده در تراشه‌ها بگردد و سپس از امواج مایکروویو برای تبادل اطلاعات با فوتون‌ها استفاده کند. صنایع دستی
جو هرمنس، دانشمند آرگون و همکارانش نیز به دنبال توسعه دستگاه‌ها و مواد جدیدی هستند تا به فوتون‌ها در انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی‌تر کمک کنند. او می گوید که الماس مصنوعی یکی از امیدوارکننده ترین مواد است.
بودجه فدرال از قانون ابتکار ملی کوانتومی، که توسط کنگره تصویب شد و در سال 2018 توسط رئیس جمهور دونالد ترامپ امضا شد، اخیراً به آزمایشگاه کمک کرد تا راکتور دومی را خریداری کند که الماس ها را سریع تر رشد می کند.
قانون چیپ و علم که در ماه آگوست توسط پرزیدنت بایدن امضا شد، حمایت بیشتری از تحقیق و توسعه می کند که به نوبه خود باعث تقویت تحقیقات کوانتومی می شود.
هرمانز در گوشه آزمایشگاه خود به دستگاه توشیبا اشاره کرد که شبیه به دستگاه دانشگاه شیکاگو بود. از آنجا مجموعه‌ای از سیم‌های رنگارنگ سیگنال‌هایی را به شبکه منتقل می‌کنند و از آن آزاد می‌شوند. دانشمندان در بوستون، نیویورک، مریلند و آریزونا روی تخت‌های آزمایشی مشابهی آزمایش می‌کنند. شبکه های آزمایشی در هلند، آلمان، سوئیس و چین نیز موجود است.
هدف این است که روزی همه این تخت‌های آزمایشی از طریق فیبر و پیوندهای ماهواره‌ای به اینترنت کوانتومی جدیدی متصل شوند که ایالات متحده و در نهایت جهان را پوشش می‌دهد. همانطور که شبکه توسعه می یابد، می توان از آن نه تنها برای ارسال اطلاعات رمزگذاری شده، بلکه برای اتصال رایانه های کوانتومی به منظور افزایش قدرت پردازش آن رایانه ها استفاده کرد، همانطور که ابر برای رایانه های فعلی انجام می دهد.
