0
تشكّل الشبكات الكمومية عنصراً مهماً في الحوسبة الكمومية وأنظمة الاتصالات الكمومية. إذ تسهل المعلومات في شكل بتات كمومية، وتسمى أيضاً «الكيوبتات»، بين معالجات كمومية منفصلة لا توجد روابط مادية بينها.

والمعالج الكمي؛ هو كمبيوتر كمي صغير يحتوي على بوابات منطقية كمومية يمر عبرها على عدد معين من الكيوبتات. وتعمل الشبكات الكمومية بطريقة مشابهة للشبكات الكلاسيكية. الفرق الرئيسي هو أن الشبكات الكمومية، مثل الحوسبة الكمومية، أسرع وأكثر أماناً وأفضل في حل بعض المشكلات، مثل نمذجة الأنظمة الكمومية.

ما هو التشفير الكمّي؟

الشبكات الكمومية

يمكن أن يسمى بـ«توزيع المفتاح الكمّي» كذلك؛ ويُعتبر جوهر الاتصال الكمّي. والذي يستخدم الحالات الكمية للجسيمات -مثل الفوتونات- لتشكيل سلسلة من الأصفار والواحدات، في حين أن أيّ تنصُّت بين المرسل والمستقبل سيغير هذا الخيط أو المفتاح ويلاحَظ على الفور، وحتى الآن، تستخدم تقنية توزيع المفتاح الكمي الأكثر شيوعاً الألياف الضوئية للإرسال على مدى عدة مئات من الكيلومترات، مع ثبات عالٍ ولكن فقدان كبير للقناة، بينما تستخدم تقنية رئيسية أخرى لتوزيع المفتاح الكمي المساحة الحرة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية لعمليات الإرسال على مستوى ألف كيلومتر.

التشفير بشكلٍ عام هو عملية تشفير البيانات، أو تحويل النص العادي إلى نص مخلوط بحيث لا يتمكن من قراءته إلا من لديه “المفتاح” الصحيح. بينما يستخدم التشفير الكمي، بالتبعية، ببساطة مبادئ ميكانيكا الكم لتشفير البيانات ونقلها بطريقة لا يمكن اختراقها.

وبينما يبدو التعريف بسيطاً، فإن التعقيد يكمن في مبادئ ميكانيكا الكم وراء التشفير الكمي، مثل؛

  • الجسيمات التي يتكون منها الكون غير مؤكدة بطبيعتها ويمكن أن توجد في وقت واحد في أكثر من مكان أو أكثر من حالة واحدة من الوجود.
  • يتم إنشاء الفوتونات بشكل عشوائي في واحدة من حالتين كميتين.
  • لا يمكنك قياس خاصية كمية دون تغييرها أو تخريبها.
  • يمكنك استنساخ بعض الخصائص الكمومية للجسيم، لكن ليس الجسيم بأكمله.

كل هذه المبادئ تلعب دوراً في كيفية عمل التشفير الكمي.

  • اقرأ أيضاً: أهم محطات التكنولوجيا في 2020: مستقبل الخيال العلمي أصبح حقيقة

مراحل تطور الشبكات الكمومية وآلية عملها

سوف تمر الشبكات الكمومية بمراحل مختلفة من التطوير حتى تصل إلى وظائفها الكاملة. في الآونة الأخيرة، اقترح باحثون من معهد «QuTech» الهولندي للأبحاث الكمية خارطة طريق نحو الإنترنت الكمي الكامل، والتي توضح بالتفصيل ستة مراحل أساسية من التطوير التي تحددها الوظائف المتاحة للعُقد النهائية في الشبكة.

المرحلة الصفرية؛ شبكات ما قبل الكم:

تتمثل المرحلة الأولية بشبكات إعادة الإرسال الموثوقة. في هذه الشبكات، يمكن أن تقوم العُقد الطرفية المتصلة مباشرة بتوزيع المفاتيح الكمومية، كما يمكن للعقد الطرفية المتصلة بسلسلة من المكررات الوسيطة أن تنشئ مفتاحاً آمناً، شريطة أن تكون موثوقة؛ وهي أجهزة تستقبل الإشارات وتعيد إرسالها كما هي أو مشفرة. يمكن اعتبار هذه المرحلة بمثابة شبكة ما قبل الكم، أو المرحلة الصفرية، حيث لا يتم تبادل أي معلومات كمية بين العقد النهائية.

كما يجب أن تحتوي العقدة الكمومية على ذاكرة كمومية يمكنها تخزين حالات الكيوبت بقوة، وينبغي أن يكون من الممكن معالجة المعلومات الكمية بدقة عالية داخل العقدة الكمومية. كما يجب أن تكون العقد الكمومية قادرة على التواصل عبر الألياف المستخدمة حالياً للإنترنت الكلاسيكي.

المرحلة الأولى؛ الشبكات الكمومية التجريبية:

وهي أول مرحلة كمومية حقيقية، وفيها يتم إعداد الشبكات وقياسها، ويصبح التسليم الكامل للكيوبتات أمراً ممكناً مما يسمح، على سبيل المثال، بأداء توزيع المفتاح الكمي بين أي عقدتين طرفيتين أو تسجيل دخول آمن إلى أي منها.

المرحلة الثانية؛ شبكات التوزيع المتشابكة:

يتم فيها توزيع التشابك بين العقد العشوائية في الشبكة. في هذه المرحلة يصبح من الممكن تنفيذ نسخة من توزيع المفتاح الكمي مستقلة عن الجهاز، وذلك بناءً على التشابك.

يمكن اعتبار المرحلتين الأولى والثانية على أنهما مراحل لشبكات كمومية تجريبية لأنها تتيح استخدام التطبيقات الأولية للإنترنت الكمي. بينما تتيح المراحل الثلاث التالية مزيداً من التطبيقات، وبالتالي يمكن اعتبارها شبكات كمومية متقدمة.

المرحلة الثالثة: شبكات الذاكرة:

تتطلب عُقداً لتكون قادرة على الاحتفاظ بالمعلومات الكمومية في ذاكرة كمومية لفترة زمنية معينة. في هذه المرحلة، يصبح النقل الآني والحساب الكمي ممكناً، بشرط أن يكون الكمبيوتر الكمومي البعيد متصلاً بشبكة الكم.

في هذه المرحلة، يصبح تنفيذ بروتوكولات تزامن الساعة الكمومية، وتوسيع الخط الأساسي للأجهزة المتلقية، والإرسال الكمي المجهول -المشفر- ممكناً كذلك.

المرحلة الرابعة:

للوصول إليها يجب أن تكون الشبكات قليلة الكيوبتات والخالية من الأخطاء والعمليات المحلية وأعمار الذاكرة جيدة جداً بحيث يمكن تنفيذ عمل الكمبيوتر الكمومي المتصل بالشبكة أو الموزع عن طريق توصيل العُقد من الشبكة.

 المرحلة الخامسة والأخيرة؛ شبكات الحوسبة الكمومية:

أصبح يوجد هناك كمبيوتر كمي كامل في كل نقطة من العقد النهائية. في هذه المرحلة، يمكن تنفيذ جميع التطبيقات الكمية التي نتخيلها حالياً.

الشبكات الكمومية.. ما بين الحوسبة والاتصال

الشبكات الكمومية

تعمل الحوسبة الكمومية المتصلة بالشبكات، أو الحوسبة الكمية الموزعة، عن طريق ربط معالجات كمومية متعددة عبر شبكة كمومية عن طريق إرسال وحدات كيوبت فيما بينها.

يؤدي القيام بذلك إلى إنشاء مجموعة الحوسبة الكمومية، وبالتالي يخلق المزيد من إمكانات الحوسبة. كما يمكن ربط أجهزة الكمبيوتر الأقل قوة بهذه الطريقة لإنشاء معالج واحد أقوى. الأمر يشبه إلى حد ما توصيل العديد من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لتشكيل كتلة كمبيوتر في الحوسبة الكلاسيكية.

ومثل الحوسبة الكلاسيكية، فإن هذا النظام قابل للتوسع عن طريق إضافة المزيد والمزيد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى الشبكة. وإلى الآن، تنفصل المعالجات الكمومية عن بعضها بمسافات قصيرة.

أما في مجال الاتصالات الكمومية، على المرء إرسال وحدات كيوبت من معالج كمي إلى آخر عبر مسافات طويلة. يمكن بهذه الطريقة توصيل الشبكات الكمومية المحلية داخلياً بشبكة الإنترنت الكمومية، التي تدعم العديد من التطبيقات، والتي تستمد قوتها من حقيقة أنه من خلال إنشاء كيوبتات كمومية متشابكة، يمكن نقل المعلومات بين المعالجات الكمومية البعيدة.

تتطلب معظم تطبيقات الإنترنت الكمومية معالجات كمومية متواضعة جداً. إذ أنه وبالنسبة لمعظم بروتوكولات الإنترنت الكمومية، مثل توزيع المفتاح الكمومي في التشفير الكمي، يكفي إذا كانت هذه المعالجات قادرة على إعداد وقياس كيوبت واحد فقط في كل مرة. ذلك لأن التشابك الكمي يمكن أن يتحقق بين اثنين من البتات الكمومية فقط.

هذا على النقيض من الحوسبة الكمومية حيث لا يمكن تحقيق تطبيقات مثيرة للاهتمام إلا إذا كان بإمكان المعالجات الكمومية -المدمجة- محاكاة وحدات كيوبت أكثر من الكمبيوتر الكلاسيكي.

تطبيقات واستخدامات الشبكات الكمومية

الشبكات الكمومية

يدعم الإنترنت الكمي العديد من التطبيقات، التي يتم تمكينها من خلال التشابك الكمومي. وبشكل عام، يعتبر التشابك الكمي مناسب جداً للمهام التي تتطلب التنسيق أو المزامنة أو الخصوصية.

تتضمن أمثلة هذه التطبيقات توزيع المفتاح الكمي؛ الذي شرحناه أعلاه، تثبيت الساعة، تمديد خط الأساس لاتصال التلسكوبات، بالإضافة إلى التحقق من الموقع والتعرف الآمن والتشفير الثنائي في نموذج التخزين الصاخب. كما يتيح الإنترنت الكمي أيضاً الوصول الآمن إلى جهاز كمبيوتر كمومي في السحابة.

وعلى وجه الخصوص يمكّن الإنترنت الكمومي الأجهزة الكمومية البسيطة جداً من الاتصال بجهاز كمبيوتر كمي بعيد بطريقة يمكن من خلالها إجراء العمليات الحسابية دون أن يكتشف الكمبيوتر الكمومي ما هي هذه الحسابات في الواقع (لا يمكن رصد حالات الإدخال والإخراج الكمومية بدون تدمير الحساب، بل تعرف بنية الدارة المستخدمة فقط).

الاتصالات الآمنة كذلك؛ فعندما يتعلق الأمر بالتواصل بأي شكل من الأشكال، كانت المشكلة الأكبر دائماً هي الحفاظ على خصوصية هذه الاتصالات. لكن الشبكات الكمومية تسمح بإنشاء المعلومات وتخزينها ونقلها، على مستوى عالٍ من الخصوصية والأمان والنفوذ الحسابي الذي يستحيل تحقيقه مع الإنترنت اليوم.

من خلال تطبيق عامل الكم الذي يختاره المستخدم على نظام المعلومات، يمكن بعد ذلك إرسال المعلومات إلى جهاز الاستقبال دون فرصة للمتنصت ليكون قادراً على تسجيل المعلومات المرسلة بدقة دون علم المرسل أو المستلم. إن المعلومات الكمية المستخدمة في الشبكات الكمومية تستخدم بتات كمومية (كيوبت)، والتي يمكن أن تحتوي على القيمتين 0 و 1 في نفس الوقت، كونها في حالة تراكب، على عكس المعلومات الكلاسيكية التي يتم إرسالها في وحدات بِت ويتم تخصيصها إما بقيمة 0 أو 1.

يكمن نجاح هذه الألية من المراقبة في أنه إذا حاول أحدٌ التلصّص على المعلومات، فسيغيرها بطريقة غير مقصودة خلال الاستماع، وبالتالي يمد بيده إلى الأشخاص الذين يستهدفهم. ثانياً، بدون عامل الكم المناسب لفك تشفير المعلومات، سوف يفسد المتلصّصون المعلومات المرسلة دون أن يتمكنوا من استخدامها بأنفسهم. وعلاوةً على ذلك، يمكن ترميز الكيوبتات في مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك استقطاب الفوتونات أو حالات دوران الإلكترونات.

  • اقرأ أيضاً: كيف يستعد عالم البلوك تشين والعملات الرقمية لعصر الحواسيب الكمومية القادم؟

دول تستخدم الشبكات الكمومية

الشبكات الكمومية

من البديهي أن الأقمار الصناعية هي الحل الأمثل لبناء شبكة كمومية طويلة المدى، ولكن بالنسبة للشبكات الأصغر، مثل الاتصالات بين المستخدمين في نفس المدينة، هناك حاجة إلى خيار آخر أقل تكلفة. وفي حين أن الأبراج يمكن أن تكون ذات فائدة، إلا أنها تخضع للطقس والانسداد وغير ذلك.

للتغلب على هذه المشكلة، استخدم فريق من الباحثين المنتسبين إلى عدة مؤسسات في الصين طائرات بدون طيار لإنشاء نموذج أولي لشبكة كمية صغيرة محمولة جواً. حيث تمكّنوا من إرسال جسيمات متشابكة من طائرة بدون طيار إلى أخرى ومن طائرة بدون طيار إلى الأرض.

كما أعلنت الصين منذ بضعة أيام إنشائها أول شبكة اتصالات كمومية متكاملة في العالم؛ تجمع بين أكثر من 700 من الألياف البصرية على الأرض، مع رابطَين متصلين بالأقمار الصناعية، لتحقيق توزيع المفتاح الكمي على مسافة إجمالية تبلغ 4600 كيلومتر للمستخدمين في جميع أنحاء البلاد.

ودُمجت شبكة الألياف الأرضية وروابطها مع الأقمار الصناعية لخدمة أكثر من 150 مستخدماً صناعياً في جميع أنحاء الصين؛ بما في ذلك البنوك الحكومية والمحلية وشبكات الطاقة ومواقع الحكومة الإلكترونية، كما أظهرت النتائج أن تقنية الاتصالات الكمومية أصبحت متقدمة بما يكفي للتطبيقات العملية واسعة النطاق.

وتعمل «Quantum Xchange» على تطوير أول شبكة كمومية في الولايات المتحدة، وتحديداً باستخدام تقنية توزيع المفاتيح الكمية. قامت الشركة حتى الآن بتأمين ما يقرب من 800 كيلومتر من كبلات الألياف الضوئية على طول الساحل الشرقي لبناء الشبكة، من بوسطن إلى واشنطن العاصمة، بهدف توسيعها عبر الولايات المتحدة بأكملها. والمحطة الأولى من شبكة، التي تربط مدينة نيويورك إلى نيو جيرسي، قيد التشغيل وقبول العملاء بالفعل منذ نوفمبر/تشرين الثاني عام 2018.

أما في اليابان، يرتبط مركز العمليات في منطقة أوتيماتشي في طوكيو بثلاثة أماكن أخرى تقع على بعد 12 و 13 و 45 كيلومتراً. وفي عام 2010، تم عرض مؤتمر تلفزيوني آمن بين مجلسي شركتي «أوتيماتشي» و «كوجاني» من خلال إجراء توزيع موثوق للمفتاح الكمي.

0

شاركنا رأيك حول "من أجل مستقبل اتصالات سريعة وآمنة.. تعرّف على الشبكات الكمومية وآلية عملها"