الباحث المصري د. إِيهاب محمد زايد يكتب : الإنترنت الجديد (الكمي) يعزز العلوم والتجارة – الجزء الأول

 أصبح ما نستخدمه من إنترنت يسمي الانترنت القديم أو الكلاسيكي بينما الإنترنت الجديد هو الإنترنت الكمي حيث الشبكات الكمية عنصر مهم في أنظمة الحوسبة والاتصالات الكمية. وتسهل نقل المعلومات في شكل بتات كمية كيوبتات، بين معالجات كمية منفصلة ماديا. والمعالج الكمي حاسوب كمي صغير قادر على تطبيق عمليات منطقية كمية على عدد معين من الكيوبتات. والشبكات الكمية تعمل بطريقة مشابهة للشبكات  

يدخل شعاع من ضوء الليزر الأزرق الأثيري إلى بلورة متخصصة. وهناك يتحول إلى اللون الأحمر ، في إشارة إلى أن كل فوتون قد انقسم إلى زوج ذي طاقات أقل - واتصال غامض. أصبحت الجسيمات الآن "متشابكة" ميكانيكيًا ، مرتبطة مثل التوائم المتماثلة الذين يعرفون أفكار بعضهم البعض على الرغم من العيش في مدن بعيدة. تتنقل الفوتونات عبر مجموعة متشابكة من الألياف ، ثم تودع المعلومات التي تشفرها برفق في سحب الذرات المنتظرة.

 أشار غابرييل بوبكين  بمقال في مجلة العلوم الأمريكية إن التحولات "تشبه إلى حد ما السحر" ، كما يفرح إيدن فيغيروا ، الفيزيائي في جامعة ستوني بروك. وقد أعد هو وزملاؤه الإعداد على عدد قليل من مقاعد المختبر المزدحمة بالعدسات والمرايا. لكن لديهم قماش أكبر بكثير في الاعتبار.بحلول نهاية العام ، قد يندفع السائقون في أكبر مناطق المترو في الولايات المتحدة - بما في ذلك ، بفضل فيغيروا إلى حد كبير ، ضواحي مدينة نيويورك - عن غير قصد حول الخيوط الضعيفة لشبكة جديدة وثورية: "الإنترنت الكمي" الذي تم تجميعه معًا بواسطة الفوتونات مثل تلك الموجودة في مختبر فيغيروا.

تم ضخ مليارات الدولارات في الأبحاث على أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الاستشعار الكمومية ، لكن العديد من الخبراء يقولون إن الأجهزة ستزدهر فقط عندما يتم ربطها ببعضها البعض على مسافات طويلة. تتوازى الرؤية مع الطريقة التي قفز بها الويب الكمبيوتر الشخصي من آلة كاتبة رائعة ووحدة تحكم ألعاب إلى بوابة اتصالات لا غنى عنها. 

و من خلال التشابك ، وهي خاصية ميكانيكية كمومية غريبة سخر منها ألبرت أينشتاين باعتبارها "تأثيرًا بعيدًا مخيفًا" ، يهدف الباحثون إلى إنشاء روابط حميمة وفورية عبر مسافات طويلة. يمكن للإنترنت الكمي أن يلحم التلسكوبات في مصفوفات عالية الدقة ، وأن يزامن الساعات بدقة ، وينتج شبكات اتصال فائقة الأمان للتمويل والانتخابات ، ويجعل من الممكن إجراء الحوسبة الكمومية من أي مكان. يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تطبيقات لم يحلم بها أحد حتى الآن.

ومع ذلك ، فإن وضع هذه الروابط الهشة في عالم دافئ وصاخب لن يكون سهلاً. يمكن لمعظم الخيوط الموجودة اليوم إرسال فوتونات متشابكة إلى أجهزة استقبال تفصل بينها عشرات الكيلومترات. والروابط الكمومية آخذة في الزوال ، ويتم تدميرها أثناء استقبال الفوتونات وقياسها. يحلم الباحثون بإدامة التشابك إلى أجل غير مسمى ، باستخدام تيارات الفوتونات لنسج روابط كمومية دائمة في جميع أنحاء العالم.

من أجل ذلك ، سيحتاجون إلى المكافئ الكمي للمكررات الضوئية ، وهي مكونات شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية اليوم التي تحافظ على قوة الإشارات الضوئية عبر آلاف الكيلومترات من الألياف الضوئية. لقد أظهرت العديد من الفرق بالفعل العناصر الأساسية لأجهزة إعادة الإرسال الكمومية وتقول إنها في طريقها إلى بناء شبكات ممتدة. يقول ميخائيل لوكين ، الفيزيائي بجامعة هارفارد: "لقد حللنا جميع المشكلات العلمية". "أنا متفائل للغاية أنه على نطاق من 5 إلى 10 سنوات ... سيكون لدينا نماذج أولية للشبكات على نطاق قاري."

في ليلة 29 أكتوبر 1969 ، بعد شهرين من وودستوك ومع احتدام حرب فيتنام ، أرسل تشارلي كلاين ، الطالب في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، رسالة إلى جهاز كمبيوتر على بعد 500 كيلومتر في معهد ستانفورد للأبحاث. في مينلو بارك ، كاليفورنيا. كان ذلك إطلاق شبكة وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة (ARPANET). من تلك البداية غير المستقرة المكونة من عقدين - كانت رسالة كلاين المقصودة هي "تسجيل الدخول" ولكن "lo" فقط وصلت قبل تعطل النظام - تضخم الإنترنت إلى الشبكة التي تشمل الكرة الأرضية اليوم. منذ حوالي عقدين من الزمن ، بدأ الفيزيائيون يتساءلون عما إذا كانت نفس البنية التحتية يمكن أن تدور حول شيء أكثر غرابة: المعلومات الكمومية.

لقد كان وقتًا سريعًا: فقد ابتكر عالم رياضيات يُدعى بيتر شور ، في عام 1994 ، رمزًا كميًا يمكنه كسر خوارزمية تشفير رائدة ، وهو أمر لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية فعله. اقترحت خوارزمية شور أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، التي تستغل قدرة الأجسام الصغيرة جدًا أو الباردة على التواجد في وقت واحد في حالات متعددة "متراكبة" ، قد يكون لها تطبيق قاتل - أكواد تكسير - وأشعلت جهدًا دام عقودًا لبناءها. تساءل بعض الباحثين عما إذا كان الإنترنت الكمي قد يعزز بشكل كبير من قوة تلك الآلات.

على مقياس من 5 إلى 10 سنوات ... سيكون لدينا نماذج أولية للشبكات على مستوى القارة.لكن بناء جهاز كمبيوتر كمي كان أمرًا شاقًا بدرجة كافية. مثل التشابك ، فإن الدول المتراكبة الأساسية لقوتها هشة وتنهار عند قياسها أو اضطرابها من قبل العالم الخارجي. نظرًا لأن المجال يركز على أجهزة الكمبيوتر الكمومية للأغراض العامة ، فإن الأفكار المتعلقة بربط أجهزة الكمبيوتر هذه تم إبعادها في الغالب إلى مستقبل بعيد. أصبحت الإنترنت الكمومية ، كما يقول فيغيروا ، "مثل نسخة محببة" من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

في الآونة الأخيرة ، مع تحول الحوسبة الكمومية إلى حقيقة واقعة ، بدأت الشبكات الكمية تشق طريقها مرة أخرى إلى دائرة الضوء. للقيام بشيء مفيد ، سيتطلب الكمبيوتر الكمومي مئات البتات الكمومية ، أو الكيوبتات - ما زالت تتجاوز بكثير أرقام اليوم. لكن يمكن للشبكات الكمية أن تبدأ في إثبات قيمتها بمجرد تشابك عدد قليل من العقد البعيدة بشكل موثوق. تقول ستيفاني وينر ، قائدة البحث لقسم الإنترنت الكمومي في جامعة دلفت للتكنولوجيا (TU Delft): "لسنا بحاجة إلى العديد من الكيوبتات من أجل القيام بشيء مثير للاهتمام".

بدأت الشبكات الأولى القادرة على نقل فوتونات فردية متشابكة في التبلور. كان تقرير الصين الصادر عام 2017 واحدًا من أكثر التقارير إثارة: أرسل قمر صناعي كمي يُدعى ميسيوس أزواجًا من الجسيمات المتشابكة إلى محطات أرضية على بعد 1200 كيلومتر. أثار هذا الإنجاز الإنذارات في واشنطن العاصمة ، مما أدى في النهاية إلى تمرير قانون مبادرة الكم الوطنية لعام 2018 ، الذي وقعه الرئيس آنذاك دونالد ترامب ليصبح قانونًا ويهدف إلى تحفيز تكنولوجيا الكم الأمريكية. 

أضافت وزارة الطاقة (DOE) ، التي قادت الجهود لتصور الإنترنت الكمي في الولايات المتحدة ، إلى الزخم في أبريل ، حيث أعلنت عن 25 مليون دولار للبحث والتطوير على الإنترنت الكمي لربط المعامل والجامعات الوطنية. يقول كريس فال ، الذي قاد حتى وقت قريب مكتب العلوم بوزارة الطاقة: "دعونا نربط منشآتنا العلمية ، ونبين أن هذا يعمل ، ونوفر إطارًا لبقية البلاد للقفز عليها وتوسيع نطاقها".

واصلت المجموعة الصينية ، بقيادة جيان وي بان ، الفيزيائي بجامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية ، تطوير شبكتها. وفقًا لورقة نشرت في يناير / كانون الثاني بالمجلة العلمية Nature ، فإنها تمتد الآن على أكثر من 4600 كيلومتر ، باستخدام الألياف والمرحلات غير الكمية. تم عرض روابط كمومية أقصر في بلدان أخرى.

بدأت الصناعة والحكومة في استخدام تلك الروابط الأولى للاتصال الآمن من خلال طريقة تسمى توزيع المفتاح الكمي ، وغالبًا ما يتم اختصارها QKD. يُمكّن QKD طرفين من مشاركة مفتاح سري من خلال إجراء قياسات متزامنة على أزواج من الفوتونات المتشابكة. الاتصال الكمي يحافظ على المفتاح في مأمن من العبث أو التنصت ، لأن أي قياس متداخل من شأنه أن يدمر التشابك ؛ ثم تنتقل المعلومات المشفرة بالمفتاح عبر القنوات العادية. يتم استخدام QKD لتأمين بعض الانتخابات السويسرية ، وقد قامت البنوك باختباره. لكن العديد من الخبراء يشككون في أهميتها ، لأن تقنيات التشفير الأبسط تكون أيضًا منيعة أمام الهجمات المعروفة ، بما في ذلك خوارزمية شور. علاوة على ذلك ، لا يضمن QKD الأمن عند إرسال واستقبال العقد التي تظل عرضة للخطر.

تهدف الشبكة الكمومية الكاملة إلى تحقيق أهداف أعلى. لن ينقل فقط الجسيمات المتشابكة ؛ يقول نيل زيمرمان ، الفيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، إنه "يوزع التشابك كمورد" ، مما يتيح للأجهزة التشابك لفترات طويلة ، ومشاركة المعلومات الكمومية واستغلالها.

قد يكون العلم هو أول من يستفيد. أحد الاستخدامات الممكنة هو قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا. لقد ربطت الطريقة بالفعل بين التلسكوبات الراديوية حول العالم ، مما أدى بشكل فعال إلى إنشاء طبق عملاق واحد قوي بما يكفي لتصوير ثقب أسود في مركز مجرة ​​بعيدة. يعد الجمع بين الضوء من التلسكوبات البصرية البعيدة أكثر صعوبة. لكن علماء الفيزياء اقترحوا مخططات لالتقاط الضوء الذي تم جمعه بواسطة التلسكوبات في الذكريات الكمومية واستخدام الفوتونات المتشابكة لاستخراج ودمج معلومات المرحلة الخاصة به ، وهو مفتاح الدقة العالية.

 يمكن أن يؤدي تشابك أجهزة الاستشعار الكمومية الموزعة أيضًا إلى شبكات كشف أكثر حساسية للمادة المظلمة وموجات الجاذبية.تتضمن التطبيقات الأكثر عملية انتخابات فائقة الأمان واتصالات مقاومة للقرصنة حيث يتم مشاركة المعلومات نفسها - وليس مجرد مفتاح سري لفك تشفيرها ، كما هو الحال في QKD - بين العقد المتشابكة. يمكن أن يؤدي التشابك إلى مزامنة الساعات الذرية ومنع التأخير والأخطاء التي تتراكم عند إرسال المعلومات بينها. ويمكن أن يوفر طريقة لربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وزيادة قوتها. من المحتمل أن تقتصر أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل القريب على بضع مئات من وحدات البت لكل منها ، ولكن إذا كانت متشابكة معًا ، فقد تكون قادرة على معالجة عمليات حسابية أكثر تعقيدًا.

كما أن  الإنترنت الجديد يصنع العلاقات فسوف يتم نسج الإنترنت الكمومي معًا بواسطة فوتونات متشابكة ، مما يعني أنها تشترك في الحالة الكمية. لكن ستكون هناك حاجة إلى مكررات الكم لنقل الفوتونات الهشة بين المستخدمين البعيدين. يبدأ أحد البروتوكولات الشائعة بإنشاء أزواج من الفوتونات المتشابكة وإرسال عضو واحد من كل زوج نحو أجهزة القياس بينما يطير الآخرون نحو المستخدمين النهائيين ، المعروفين باسم أليس وبوب.

الارتباط بعيد المدى يتم التقاط الفوتونات في الذكريات الكمومية التي تخزن حالاتها الكمومية. المعالجات تصحح وتجهز الحالات مع الحفاظ على التشابكات. قياس متخصص على الذكريات الكمومية الوسيطة ثم "مقايضة" التشابك لربط أليس وبوب. شبكة متعددة الاستخدامات يمكن للإنترنت الكمي إنشاء اتصالات حميمة وآمنة بين المستخدمين والمرافق المنفصلة على نطاق واسع. يمكن أن يسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية بتشغيل خوارزميات معقدة للمستخدمين البعيدين مع حماية المعلومات الحساسة ، أو التلسكوبات المدمجة والأدوات الأخرى في شبكات فائقة الدقة.

الأقمار الصناعية الكمية

وهي الأقمار التي تقوم علي الإنترنت الجديد فيمكن للأقمار الصناعية الكمية أن تدعم التشابك بين القارات.أخذت هذه الفكرة إلى أبعد من ذلك ، يتصور البعض أيضًا نظيرًا للحوسبة السحابية: ما يسمى بالحوسبة الكمومية العمياء. التفكير هو أن أقوى أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستوضع يومًا ما في المعامل والجامعات والشركات الوطنية ، تمامًا مثل أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم. قد يرغب مصممو الأدوية والمواد أو تجار الأسهم في تشغيل خوارزميات كمومية من مواقع بعيدة دون الكشف عن محتويات برامجهم. من الناحية النظرية ، يمكن للمستخدمين تشفير المشكلة على جهاز محلي متشابك مع كمبيوتر كمي بعيد - باستغلال طاقة الكمبيوتر البعيد مع تركه أعمى عن المشكلة التي يتم حلها.

تقول تريسي نورثوب من جامعة إنسبروك: "بصفتي فيزيائيًا ، أعتقد أن [الحوسبة الكمية العمياء] جميلة جدًا".اتخذ الباحثون خطوات مبكرة نحو الشبكات المتشابكة تمامًا. في عام 2015 ، ربط وينر وزملاؤه الفوتونات بدورات الإلكترون في ذرات النيتروجين ، مُغلفة داخل ماسين صغيرين يفصل بينهما 1.3 كيلومتر في حرم جامعة TU Delft. ثم تم إرسال الفوتونات إلى محطة وسيطة ، حيث تتفاعل مع بعضها البعض لتشابك العقد الماسية. حددت التجربة رقماً قياسياً لمسافة التشابك "المُعلن" - مما يعني أنه يمكن للباحثين تأكيده واستخدامه - واستمر الارتباط لمدة تصل إلى عدة ميكروثانية.

ومع ذلك ، من المحتمل أن تتطلب الشبكات الأكثر اتساعًا مكررات كمية لنسخ وتصحيح وتضخيم وإعادة بث كل إشارة تقريبًا. وعلى الرغم من أن المكررات هي تقنية مباشرة نسبيًا للإنترنت الكلاسيكي ، إلا أن مكرر الكم يجب أن يتجنب نظرية "عدم الاستنساخ" - التي تنص ، بشكل أساسي ، على أنه لا يمكن نسخ الحالة الكمومية. يبدأ تصميم مكرر شائع بزوجين من الفوتونين متطابقين ومتشابكين في مصادر منفصلة. يطير فوتون واحد من كل زوج باتجاه نقاط نهائية بعيدة ، والتي يمكن أن تكون أجهزة كمبيوتر كمومية ، أو أجهزة استشعار ، أو مكررات أخرى. دعونا نسميهم أليس وبوب ، كما اعتاد علماء فيزياء الكم أن يفعلوا.

النصف الآخر من كل زوج مضغوط للداخل ، باتجاه قلب المكرر. يجب على هذا الجهاز أن يحبس الفوتون الذي يصل أولاً ، ويقنع معلوماته في ذاكرة كمومية - ربما سحابة ماسية أو ذرية - ويصحح أي أخطاء تراكمت أثناء العبور ، ويدللها حتى يصل الفوتون الآخر. يحتاج المكرر بعد ذلك إلى التزاوج بين الاثنين بطريقة تشابك التوائم البعيدة. هذه العملية ، المعروفة باسم مبادلة التشابك ، تنشئ رابطًا بين نقاط النهاية البعيدة ، أليس وبوب. يمكن لمكررين إضافيين أن يربطوا سلسلة أقحوان من أليس إلى كارول ، وبوب إلى ديف ، ويمتدون في النهاية لمسافات كبيرة.