مرحبا يا هبر! أقدم إليكم ترجمة المقال "لماذا يجب بناء الإنترنت الكمومي في الفضاء" من MIT Technology Review.
يعتقد الفيزيائيون أن أفضل طريقة لنشر شبكة الكم في جميع أنحاء العالم هي كوكبة ضخمة من الأقمار الصناعية المدارية.
تأليف التكنولوجيا الناشئة من arXiv
يعتبر Quantum Internet حلم العديد من المهندسين الذين تحدثنا عنهم خلال السنوات القليلة الماضية. والفكرة هي استخدام الخصائص غير العادية للفوتونات والإلكترونات لإرسال رسائل آمنة بشكل لا يصدق.
هذه التكنولوجيا لديها تطبيق واضح للحكومة والجيش ، ولكن في ذلك
البنوك وغيرها من مجالات التمويل مهتمة أيضا ، والتي تحتاج إلى حماية كل شيء من العقود لتحويل الأموال. الأهم من ذلك ، هذا النوع من الحماية على نحو متزايد
مطلوب بسبب أجهزة الكمبيوتر الكم التي يمكن كسر الرموز المستخدمة
لحماية معظم الرسائل.
لذا ، فإننا نطرح سؤالًا مثيرًا للاهتمام: "كيف ينبغي للعلماء والمهندسين أن يحلوا مشكلة بناء شبكة إنترنت ضخمة تغطي العالم بأسره؟"
اليوم ، بفضل سوميت خاتري وزملاؤه في جامعة ولاية لويزيانا ، لدينا الجواب. درس فريقه طرقًا متعددة لإنشاء الإنترنت الكمي وأثبت أن الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة هو بناء مجموعة من الأقمار الصناعية الكمومية القادرة على إرسال فوتونات "متشابكة" بشكل مستمر إلى الأرض ، وبعبارة أخرى ، يجب أن يكون الإنترنت الكمي الفضاء.
أولا ، القليل من التاريخ. مفتاح أي شبكة الكم هو خاصية غريبة من التشابك. هي ظاهرة يكون فيها جسيمان كميان في نفس الحالة ، حتى لو كانت مفصولة بمسافة كبيرة. وهذا يضمن أن قياس حالة أحد الجسيمات يؤثر على الفور على الآخر ، وهو تأثير أطلق عليه أينشتاين "حركة طويلة المدى غريبة".
ينشر الفيزيائيون عادة التشابك باستخدام زوج من الفوتونات التي تم إنشاؤها عند نقطة واحدة وفي نفس الوقت. عند إرسال الفوتونات في اتجاهات مختلفة ، يمكن استخدام التعقيدات التي تربطها لإرسال رسائل آمنة.
المشكلة هي أن التشابك هش ويصعب الحفاظ عليه. أي تفاعل صغير بين أحد الفوتونات والمساحة المحيطة يدمر الاتصال. بالطبع ، هذا هو بالضبط ما يحدث عندما يرسل الفيزيائيون فوتونات عبر الغلاف الجوي أو الألياف. تتفاعل الفوتونات مع ذرات أخرى في الجو أو الزجاج ، ويتم تدمير الرابطة. لذلك ، فإن الحد الأقصى للمسافة التي يمكن فيها الحفاظ على الارتباك هو بضع مئات من الكيلومترات فقط.
كيف إذن بناء شبكة كمية تغطي الكوكب بأكمله؟ يتمثل أحد الخيارات في استخدام "أجهزة التكرار الكمومية" ، وهي أجهزة تقيس الخواص الكمومية للفوتونات عند استلامها وتنقل هذه الخصائص إلى فوتونات جديدة يتم إرسالها. هذا يحافظ على الارتباك ، مما يسمح لك بنقله من مكرر إلى آخر. ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا تجريبية ، وتحتاج إلى بضع سنوات أخرى قبل الاستخدام التجاري.
هناك طريقة أخرى تتمثل في إنشاء زوج معقد من الفوتونات في الفضاء وإرسالها إلى محطتين مختلفتين على الأرض. تصبح هاتان المحطتان متصلتين ، مما يسمح بتبادل الرسائل بينهما بسرية تامة.
في عام 2017 ، أظهر القمر الصناعي الصيني Mo-tzu لأول مرة أن التشابك يمكن أن ينتقل بهذه الطريقة. اتضح أن الفوتونات في هذا السيناريو يمكن أن تنتقل إلى أبعد من ذلك بكثير ، لأن آخر 20 كيلو مترًا فقط من المسار تمر عبر الغلاف الجوي ، شريطة أن يكون القمر الصناعي مرتفعًا في السماء وليس قريبًا جدًا من الأفق.
شركة خاطري وشركاه يجادل بأن كوكبة من هذه الأقمار الصناعية هي وسيلة جيدة للغاية لإنشاء الإنترنت الكم العالمي. خلاصة القول هي أنه من أجل الاتصال الآمن ، يجب توصيل محطتين أرضيتين بنفس القمر الصناعي في نفس الوقت حتى يتسنى لهما تلقي فوتونات متشابكة منه.
على أي ارتفاع يجب أن تطير الأقمار الصناعية للحصول على أعلى تغطية ممكنة؟ وكم ستكون هناك حاجة؟
في الوقت الحالي ، تعد الأقمار الصناعية مورداً باهظ الثمن ، لذا أود استخدامها بأقل قدر ممكن ، مع الحفاظ على التغطية الكاملة والمستمرة. سامت خطري وشركاه
لإعطاء إجابة ، ابتكر الفريق نموذجًا لهذه الكوكبة. اتضح أنك بحاجة إلى التفكير في العديد من المقايضات المهمة التي عليك القيام بها. على سبيل المثال ، يمكن أن توفر عدد أقل من الأقمار الصناعية تغطية كاملة عندما تكون عالية في المدار. لكن كلما ارتفعت الأقمار الصناعية ، زاد فقدان الفوتونات.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للأقمار الصناعية في المدار المنخفض تغطية مسافات أقصر فقط بين المحطات ، لأن كلاهما يجب أن يشاهد نفس القمر الصناعي في نفس الوقت.
بقبول هذه القيود ، اقترح خاتري وفريقه توازنًا أفضل: كوكبة من 400 قمر صناعي على الأقل تحلق على ارتفاع حوالي 3000 كيلومتر فوق مستوى سطح البحر. للمقارنة ، تكاليف GPS 24 أقمار صناعية.
وحتى مع ذلك ، ستقتصر المسافة القصوى بين المحطات الأرضية على 7500 كيلومتر. هذا يعني أن مثل هذا النظام يمكن أن يوفر نقل آمن للبيانات بين لندن ومومباي ، بين 7200 كيلومتر ، ولكن ليس بين لندن وهيوستن (7800 كيلومتر عن بعضها البعض) أو أي مدن أخرى تقع أبعد من ذلك. هذا هو العيب الكبير.
على الرغم من ذلك ، فإن الإنترنت الكمومي للفضاء يفوق بكثير نظام تكرار الكم الأرضي ، كما يقول خاتري وشركاه. - يجب أن تقع أجهزة التكرار على قطعة أقل من 200 كيلومتر ، لذا فإن تغطية المسافات الكبيرة سيتطلب عددًا كبيرًا من هذه الأجهزة. هذا يفرض مجموعة القيود الخاصة به على الإنترنت الكم.
نحن نعتقد أن الأقمار الصناعية لها ميزة كبيرة على الوضع الأرضي لانتشار التشابك. سامت خطري وشركاه
بالطبع ، سوف يتطلب هذا النظام استثمارات كبيرة. تتمتع الصين بميزة واضحة تتمثل في امتلاكها بالفعل لقمر صناعي به هذه التكنولوجيا. ولن يتوقفوا.
في الوقت نفسه ، يظهر طموح أقل في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية في هذا الصدد. يمكن أن تتغير الأشياء بسرعة إذا أثبتت هذه التكنولوجيا قيمتها. ثم يمكن أن يكون سباق الفضاء الكمومي على وشك الاندفاع.