איך תוף קוונטי יכול לשנות הכל באינטרנט

חוקרים ממכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן פיתחו דרך חדשה ליצור זיכרון קוונטי: תוף קטן יכול לאחסן נתונים שנשלחים עם אור ברטט הקולי שלו, ולאחר מכן להעביר את הנתונים עם מקורות אור חדשים בעת הצורך שוב. התוצאות מראות שזיכרון מכני לנתונים קוונטיים יכול להיות האסטרטגיה שסוללת את הדרך לאינטרנט מאובטח במיוחד עם מהירויות מדהימות.

ממש מתחת למשרדו הישן של נילס בוהר נמצא מרתף שבו שולחנות פזורים מכוסים במראות קטנות, בלייזרים ובצבירה של כל סוגי המכשירים המחוברים באמצעות קורי חוטים וערמות סרטים. זה נראה כאילו פרויקט של ילד הלך רחוק מדי, כזה שהוריהם ניסו לשווא לגרום להם לנקות.

למרות שקשה לעין הבלתי מאומנת להבחין שהטבלאות הללו הן למעשה הבית של מערך פרויקטי מחקר מובילים בעולם, הדברים החשובים מתרחשים בתוך עולמות כה קטנים שאפילו חוקי ניוטון לא חלים. זה המקום שבו היורשים הפיזיים הקוונטיים של נילס בוהר מפתחים את הטכנולוגיה הקוונטית החדישה ביותר.

אחד מהפרויקטים הללו בולט – עבור פיזיקאים לפחות – בעובדה שגיזמו גלוי לעין בלתי מזוינת מסוגל להשיג מצבים קוונטיים. התוף הקוונטי הוא קרום קטן עשוי מחומר קרמי דמוי זכוכית עם חורים מפוזרים בדוגמה מסודרת לאורך קצוותיו.

עובדות: איך זה עובד

לפני שאות האור נושא הנתונים פוגע בממברנת התוף הקוונטי, "לייזר עזר" מבטיח שהרעידות הטבעיות של הממברנה, המגיעות מתנאי הסביבה, יועברו לשליטה. זה מייצב את הסרעפת עם פעימת תוף בתדר המדויק שהוא הכי אוהב. זה נקרא תהודה.

התוף הופך לרגיש מאוד כאשר הוא מהדהד עם לייזר העזר, שבין היתר מאפשר לו לזהות את האות המאוחסן באור נושא הנתונים בדיוק קוונטי.

ברגע שאור מלא בנתונים פוגע, האות שלו הופך לחלק מהרעידות של התוף. כאן, הם יכולים להישמר בצורה יציבה במעין זיכרון קול לפני שליחתם הלאה בלייזר שלישי, אשר נורה על התוף ומשתקף החוצה בכבל עם מקודדים נתונים מאות האור המקורי.

כשהתוף מוכה באור של לייזר, הוא מתחיל לרטוט, ועושה זאת, כל כך מהר וללא הפרעות, שמכניקת הקוונטים נכנסת לתמונה. נכס זה כבר מזמן עורר סערה על ידי פתיחת מספר אפשרויות טכנולוגיות קוונטיות.

כעת, שיתוף פעולה בין תחומים קוונטיים שונים במכון הוכיח שהתוף יכול למלא גם תפקיד מפתח עבור רשת המחשבים הקוונטים העתידית. כמו אלכימאים מודרניים, חוקרים יצרו צורה חדשה של "זיכרון קוונטי" על ידי המרת אותות אור לתנודות קוליות.

במאמר מחקר שפורסם זה עתה, החוקרים הוכיחו שניתן לאחסן נתונים קוונטיים ממחשב קוונטי הנפלטים כאותות אור – למשל, דרך סוג כבל סיבים אופטיים שכבר משמשים לחיבורי אינטרנט מהירים – כרעידות תוף ולאחר מכן הועבר.

ניסויים קודמים הוכיחו לחוקרים שהממברנה יכולה להישאר במצב קוונטי שביר אחרת. ועל בסיס זה, הם מאמינים שהתוף צריך להיות מסוגל לקלוט ולשדר נתונים קוונטיים מבלי שהוא "יתפרק", כלומר יאבד את המצב הקוונטי שלו כשהמחשבים הקוונטיים מוכנים.

"זה פותח נקודות מבט נהדרות ליום שבו מחשבים קוונטיים באמת יכולים לעשות את מה שאנחנו מצפים מהם. זיכרון קוונטי עשוי להיות בסיסי לשליחת מידע קוונטי על פני מרחקים. אז מה שפיתחנו הוא חלק מכריע בבסיס עצם האינטרנט של העתיד עם מהירות קוונטית ואבטחה קוונטית", אומר הפוסט-דוקטורט מאדס בירגארד קריסטנסן ממכון נילס בוהר, המחבר הראשי של מאמר המחקר החדש.

מהיר במיוחד, אולטרה מאובטח

בעת העברת מידע בין שני מחשבים קוונטיים למרחק – או בין רבים באינטרנט קוונטי – האות יטבע במהירות ברעש. כמות הרעש בכבל סיבים אופטיים גדלה באופן אקספוננציאלי ככל שהכבל ארוך יותר. בסופו של דבר, לא ניתן עוד לפענח נתונים.

האינטרנט הקלאסי ורשתות מחשבים מרכזיות אחרות פותרות את בעיית הרעש הזו על ידי הגברה של אותות בתחנות קטנות לאורך נתיבי שידור. אבל כדי שמחשבים קוונטיים יישמו שיטה אנלוגית, עליהם לתרגם תחילה את הנתונים למערכות מספרים בינאריים רגילים, כמו אלה המשמשים מחשב רגיל.

זה לא יצליח. פעולה זו תאט את הרשת ותהפוך אותה לפגיעה להתקפות סייבר, שכן הסיכויים שהגנת נתונים קלאסית תהיה יעילה בעתיד של מחשב קוונטי הוא גרוע מאוד.

עובדות: מחשבים ונתונים קוונטיים

מחשב קלאסי פועל כמו רשת גדולה של מתגים שיכולים להיות במצב מופעל או כבוי. מערכות אלו נקראות בינאריות בגלל שני המצבים המהווים את הבסיס לחישובים שמבצע המחשב. כמו חרוזים על אבוקסיס, מתגי ההפעלה והכיבוי יוצרים תבניות של קוד בינארי.

מחשב קוונטי מבצע חישובים בעזרת מכניקת הקוונטים, ומנצל ש"מתגי הקוונטים" שלו, או קיוביטים, יכולים להיות במצבים קוונטיים, כולל סופרפוזיציה, שבהם הם מופעלים ומכבים בו-זמנית. זה מאפשר למחשב קוונטי לנהל במהירות כמויות גדולות של מידע באופן שמחשבים קלאסיים אינם יכולים.

נתונים קוונטיים המועברים באמצעות אותות אור יכולים לשמור על מצבם הקוונטי כל עוד הם לא מופרעים מספיק. בנוסף, התוף הקוונטי של מכון נילס בוהר יכול גם לקלוט וגם להעביר אותות ללא הפרעה.

"במקום זאת, אנו מקווים שהתוף הקוונטי יוכל לעמוד במשימה זו. הוא הוכיח הבטחה גדולה מכיוון שהוא מתאים להפליא לקליטה ושליחה מחדש של אותות ממחשב קוונטי. לכן, המטרה היא להרחיב את החיבור בין מחשבים קוונטיים דרך תחנות שבהן תופים קוונטיים קולטים ומשדרים אותות מחדש, ובתוך כך להימנע מרעש תוך שמירה על נתונים במצב קוונטי", אומר Mads Bjerregaard Kristensen. הוא מוסיף:

"בכך, המהירויות והיתרונות של מחשבים קוונטיים, למשל, ביחס לחישובים מורכבים מסוימים, יתפרשו על פני רשתות ואינטרנט, שכן הם יושגו על ידי ניצול מאפיינים כמו סופרפוזיציה והסתבכות שהם ייחודיים למצבים קוונטיים." הוא אומר.

אם תצליח, התחנות יוכלו גם להרחיב חיבורים מאובטחים קוונטיים, שגם הקודים הקוונטיים שלהם יכולים להתארך על ידי התוף. האותות המאובטחים הללו יכולים להישלח למרחקים שונים, בין אם סביב רשת קוונטית או מעבר לאוקיינוס ​​האטלנטי, באינטרנט הקוונטי של העתיד.

גמיש, מעשי ואולי פורץ דרך כזיכרון RAM קוונטי

מחקר נערך במקום אחר לחלופה שבה מקור אור נושא נתונים מכוון למערכת אטומית ומעביר זמנית את האלקטרונים ב אָטוֹםאבל לשיטה יש מגבלות.

"יש גבולות למה שאתה יכול לעשות עם מערכת אטומית, מכיוון שאיננו יכולים לתכנן אטומים או את תדירות האור שהם יכולים לקיים אינטראקציה עם עצמנו. המערכת המכנית ה"גדולה" יחסית שלנו מספקת יותר גמישות. אנחנו יכולים להתעסק ולהתאים, כך שאם תגליות חדשות ישנו את כללי המשחק, יש סיכוי טוב שניתן להתאים את התוף הקוונטי", מסביר פרופסור אלברט שליסר, מחבר שותף במאמר המחקר.

"לטוב ולרע, היכולות שלנו כחוקרים הן בעיקר מה שמגדירות את הגבולות לאופן שבו הכל עובד טוב", הוא מציין.

עובדות: חיבורים קוונטיים

השיטה כוללת שליחת קיוביטים של נתונים קוונטיים באות אור קצר במיוחד: ניתן להשתמש בכמה פוטונים מסתבכים כדי ליצור קודים כמעט בלתי ניתנים לשבירה.

סוגים אלה של חיבורים גם מבטיחים שכל ניסיון לפרוץ גישה ייחשף, שכן החוק הקוונטי אומר שבכל פעם שמשהו נצפה, הוא משתנה.

התוף הוא הגישה האחרונה והרצינית ביותר לזיכרון קוונטי מכני מכיוון שהוא משלב מספר מאפיינים: לתוף יש אובדן אות נמוך – כלומר, עוצמת אות הנתונים נשמרת היטב. יש לו גם יתרון עצום ביכולת להתמודד עם כל תדרי האור, כולל התדר המשמש בכבלי האור בסיבים אופטיים שעליהם בנוי האינטרנט המודרני.

התוף הקוונטי גם נוח מכיוון שניתן לאחסן ולקרוא נתונים בכל עת שצריך. ואורך השיא של 23 אלפיות השניות של זמן זיכרון שכבר הושגו על ידי חוקרים מגדילים את הסיכוי שהטכנולוגיה תהפוך יום אחד לאבן בניין למערכות של רשתות קוונטיות כמו גם לחומרה במחשבים קוונטיים.

"אנחנו יוצאים מוקדם עם המחקר הזה. מחשוב קוונטי ותקשורת נמצאים עדיין בשלב מוקדם של התפתחות, אבל עם הזיכרון שהשגנו, אפשר לשער שהתוף הקוונטי ישמש יום אחד כמעין זיכרון RAM קוונטי, מעין "זיכרון עבודה" זמני עבור מידע קוונטי. וזה יהיה פורץ דרך", אומר הפרופסור.

עובדות: סופרפוזיציה והסתבכות

ספר החוקים של הטבע שונה בעולם מכאני הקוואנטים. בפרט, שני מצבים קוונטיים מנטרלים את המגבלות של העולם הרגיל, ומעניקים למחשבים קוונטיים כוחות מדהימים.

חֲפִיפָה: במכניקת הקוונטים, סופרפוזיציה מאפשרת לחלקיק להיות במספר מצבים בו זמנית עד שהוא נמדד. לדוגמה, סיבית קוונטית (קווביט) יכולה להיות גם 0 וגם 1 בו-זמנית עד שהיא נמדדת וקורסת למצב מסוים. קוויביטים ממנפים סופרפוזיציה לביצוע חישובים מרובים בבת אחת.

הסתבכות: איינשטיין התייחס לזה כ"פעולה מפחידה מרחוק". המצבים של שני חלקיקים מסתבכים או יותר קשורים קשר הדוק. שינוי במצב של חלקיק ישפיע באופן מיידי על מצב החלקיקים שהוא מסתבך איתם, ללא קשר למרחק. תכונה זו היא שמאפשרת ליצור חיבורים מאובטחים באמצעות קודים שלא ניתן לפענח ללא חלקיק סבוך כמפתח. המצב גם פותח את האפשרות לפתח טלפורטציה קוונטית, שבה ניתן להעביר מידע ללא כל העברה ישירה של חלקיקים.