ما يجب معرفته عن الشبكة الكمومية المدفونة تحت مدينة نيويورك

لمدة 15 يومًا في شهر ديسمبر الماضي، جرت عملية كمية معقدة في أعماق مدينة نيويورك. تدفقت فوتونات الضوء حول منطقة تمتد من Brooklyn Navy Yard إلى كورونا في كوينز، لتشكل شبكة كمومية بطول 21 ميلًا (34 كيلومترًا) أسفل المدينة.

أجرت شركة الأجهزة الكمومية Qunnect التجربة على منصة اختبار GothamQ الخاصة بها. تعمل الشبكة الكمومية على الألياف الضوئية الموجودة التي تشكل بعض البنية التحتية للاتصالات في نيويورك. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الاتصالات الجوفية التقليدية والتجربة الأخيرة في أنه بدلاً من انتقال الفوتونات العادية عبر الكابلات، قام فريق كوينكت بنقل فوتونات متشابكة ومستقطبة، أي فوتونات في حالة كمومية. تتم استضافة بحث الفريق حاليًا على خادم الطباعة المسبقة arXiv.

“من الصعب دائمًا شرح ما ستفعله البنية التحتية من الجيل التالي لك. قال مهدي نمازي، عالم فيزياء الكم وكبير مسؤولي العلوم في شركة كونيكت، في مكالمة فيديو مع جيزمودو: “في كثير من الأحيان لا يعرف الأشخاص الذين يخترعون البنية التحتية”. “من الصعب جدًا تحديد حالة الاستخدام، لأن هذا يشبه تحديد ما سيكون عليه تطبيق الإنترنت.”

وقال نامازي إن معظم عمل الفريق كان “إلى حد بعيد أحدث ما توصلت إليه الشبكات الكمومية”. لتشغيل شبكته الكمومية، قام الفريق بتوليد أزواج من الفوتونات – جسيمات الضوء – باستخدام خلية بخار من الروبيديوم-87. كانت أزواج الفوتون متشابكة، مما يعني أن خصائص أحد الفوتونات تم تحديدها بواسطة الآخر، والعكس صحيح. التشابك هو خاصية الكم. ولذلك، استخدم الفريق الفوتونات كبت كمي (أو كيوبت) للتواصل. الكيوبتات هي حجر الأساس لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. غالبًا ما تتكون الكيوبتات من ذرات في مصفوفة، ويتم الاحتفاظ بها باردة جدًا حتى تتمكن من الدخول إلى الحالة الكمومية، مما يمنحها خصائص تجعلها مفيدة للحسابات المعقدة.

أرسل المشروع الأخير نصف مليون زوج فوتون في الثانية عبر البنية التحتية للكابل، مما يعني أنه تم إطلاق 648 مليار زوج فوتون عبر النظام على مدار التجربة التي استمرت 15 يومًا. لم تحقق التجارب السابقة التي استخدمت بنية تحتية مماثلة سوى معدلات تتراوح بين 10000 إلى 20000 زوج فوتون في الثانية.

على عكس أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي تحتاج إلى الاحتفاظ بها في درجات حرارة فائقة البرودة لتبقى في حالة كمومية، يمكن للفوتونات أن تحمل معلومات كمومية في درجات الحرارة المحيطة. وبفضل هذه الخاصية الفريدة لجزيئات الضوء، تمكن الفريق من استخدام البنية التحتية الحالية واسعة النطاق في نيويورك لإجراء عملهم بدلاً من إجراء تجربة أصغر في بيئة معملية مُدارة بعناية.

ظلت الشبكة عاملة لمدة 99.84% من مدة التجربة، والتي انتهت فقط بسبب وجود أسماك أخرى يجب قليها. وبعبارة أخرى، لم تظهر الشبكة أي علامات على فقدان حالتها المتشابكة إذا استمرت التجربة.

كان جزء من ابتكار الفريق هو إيقاف العملية مؤقتًا لفترات زمنية قصيرة جدًا (نحن نتحدث ميلي ثانية) لإرسال نبضات من الضوء الكلاسيكي عبر النظام كمرجع لقياس النظام والتحقق من الاضطرابات التي يمكن أن تعطل التشغيل الكمي للوحدة. الفوتونات. هذه الانقطاعات – وهي عملية تسمى مضاعفة الوقت – جعلت العملية دون الاتصال بالإنترنت لمدة 0.16% فقط من التجربة التي استمرت 15 يومًا، مما أدى إلى وقت تشغيل بنسبة 99.84% كما هو مذكور سابقًا.

وكتب الفريق في ورقته البحثية: “إن عملنا يمهد الطريق للنشر العملي للشبكات القائمة على التشابك على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع بمعدلات ودقة مناسبة للعديد من حالات الاستخدام الحالية والمستقبلية”.

وقال نمازي: “كل ما كنا نحاول تطويره يدور حول فكرة “هل هذا عملي؟”. “هل يمكن عمليا توزيع التشابك بطريقة قوية ومستقرة وعالية الجودة بحيث يمكنك التأكد دائما من أنها مفيدة في التطبيقات، سواء كان ذلك للأمن السيبراني أو رؤية أكبر لما يمكن أن يبدو عليه الإنترنت الكمومي؟”

وقال إن التطبيقات الأكثر إلحاحًا للتكنولوجيا تكمن في الأمن السيبراني. وقال نمازي: “إذا كان بإمكانك استخدام هذه البيانات لإرسال الأصفار والواحدات الخاصة بك، أو استخدامها كوسيلة لإنشاء مفتاح لتشفيرك، فسيكون اختراقها أصعب بكثير”. “إذا حدث شيء ما لأحد الفوتونات الخاصة بك، فإن الآخر يعرف على الفور. وليس هناك ما يمكن للمتسلل أن يفعله حيال ذلك لأنه لا توجد طريقة لتكرار هذا النوع من الاتصال.

لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه نحو التطبيقات العملية، وحتى أطول بالنسبة للمفاهيم التي لا تزال مجردة مثل الإنترنت الكمومي. وقال نمازي إن معدل نقل الفوتون “ليس 5G، وليس قريبًا من أي مكان” ولكنه على الأقل “أفضل 10 مرات من الإنترنت عبر الطلب الهاتفي”.

على الرغم من أن العديد من التطبيقات – في الواقع، بعض الآثار البعيدة المدى والأكثر أهمية لهذا العمل – لا تزال بعيدة عن الأفق، إلا أن التجربة تعد بمثابة تذكير عظيم بالعلم الذي يتم إنجازه في كل مكان حولنا. في المرة القادمة التي تكون فيها عالقًا في مترو الأنفاق، ستتمكن على الأقل من التفكير في الفيزياء الرائعة التي تحدث، أيضًا تحت الأرض، في مكان ما بالقرب منك. بالطبع، تصل الفوتونات إلى حيث تتجه بشكل أسرع بكثير منك.