کوانتوم (Quantum) و فناوری ارتباطات کوانتومی

تهيه کننده: داود سعیدی

۱- مقدمه فناوری ارتباطات کوانتومی

هميشه در جنگ‌های نوین و سرد، یک نگراني اساسي وجود دارد و آن دستيابي دشمن به اطلاعات و پيام­هاي محرمانه است. در این جنگ‌ها هر طرف درگير جنگ می‌کوشد اطلاعات طرف مقابل را به دست آورده و از آن‌ها استفاده كند یا به نفع خود این اطلاعات را تغيير دهد. طرفي كه توانایي و قدرت به دست آوردن اطلاعات محرمانه طرف مقابل را داشته باشد، در جایگاه بالاتري قرار دارد و شانس پيروزي آن در جنگ چندین برابر می‌گردد. باید در جلوگيري از استراق سمع كوشيد، به همين منظور رمزنگاري و كد كردن پیام‌های محرمانه مطرح می‌گردد. رمزنگاري كه یکي از اقدامات پدافند غيرعامل است، به این منظور كه از اطلاعات امنيتي در زمینه­های نظامي، صنعتي، تجاري، اطلاعات دولتي و حتي اطلاعات فردي حفاظت نماید، صورت‌گرفته است. هميشه افراد سودجویي وجود دارند كه قصد به دست آوردن اطلاعات محرمانه سازمان‌ها، ارتش­ها و دولت‌ها را دارند، در اینجا است كه نقش رمزنگاري پررنگ‌تر می‌گردد و در طي زمان انواع روش‌های رمزنگاري پا به عرصه امنيت گذاشته است. از رمزنگاري براي حفاظت از اطلاعاتي كه در حال انتقال در شبکه­هاي باز هستند و همین‌طور اطلاعاتي كه در یک سيستم ذخیره‌ شده‌اند استفاده می‌شود.

محققين در طي تحقيقات انجام ‌شده، به این نتيجه رسیده‌اند كه سیستم‌های رمزنگاري كلاسيک به سبب ضعيف بودن در مواردي هم چون مدیریت كليد و یا الگوریتم‌های رمزنگاري قابل حمله هستند. اینک آنچه حائز اهميت است امنيت بر روي سیستم‌ها است و رمزنگاري كوانتومي جایگاه بالاتري نسبت به رمزنگاري كلاسيک در بحث امنيت از خود نشان داده است.

با ظهور کامپیوترهای کوانتومی سیستم­های رمزنگاری کلاسیک دیگر امن نیست و رمزهای کوانتومی موجود با توجه به محدودیت­های عملی از امنیت کامل برخوردار نیست. در تله­پورت کوانتومی از درهمتنیدگی بین ذرات کوانتومی استفاده می­شود و در فضا اطلاعاتی بین دو طرف انتقال پیدا نمی­کند پس می­تواند گزینه مناسبی برای انتقال امن اطلاعات باشد.

همچنین در صورت ساخت کامپیوترهای کوانتومی تله­پورت کوانتومی می­تواند به عنوان راه ارتباط بین کامپیوترهای کوانتومی در نظر گرفته­شود.

در زیر قبل از ورود به بحث با زبان ساده مفاهیم و نکاتی در خصوص کوانتوم به شرح زیر بیان میگردد:

کوانتوم :

یک کوانتوم کوچک‌ترین مقدار ممکن انرژی است. یک کوانتوم نور (یا تابش‌های الکترومغناطیسی دیگر) فوتون نامیده می‌شود. یک فوتون می‌تواند توسط یک الکترون، هنگامی که جهش کوانتومی می‌کند ساطع شود.

نظریه کوانتومی:

نظریه کوانتومی از ایده‌های ماکس پلانک منشأ گرفته است. او این ایده را مطرح کرد که ‌اتم‌ها تنها در کمیت‌های معینی به نام کوانتوم می‌توانند انرژی ساطع کنند (بیرون دهند). نظریه کوانتومی برای توضیح رفتار ذرات و انرژی‌ای که خارج می‌کنند مطرح شد. نظریه کوانتومی نشان می‌دهد که انرژی همزمان هم به صورت امواج و هم به صورت ذرات رفتار می‌کند. کوانتوم دسته‌های انرژی است که به صورت توده‌هایی از ذرات جداگانه وجود دارند اما زمانی که سفر می‌کنند، همانند امواج در سطح حوض منتشر می‌شوند.

با این که درک نظریه کوانتومی سخت است اما درواقع یکی از دقیق‌ترین نظریه‌های علمی‌ای محسوب می‌شود که تاکنون ارائه شده است. دانشمندان با استفاده از نظریه کوانتومی می‌توانند خواص اتم‌ها، مولکول‌ها و مواد را به طور دقیق محاسبه کنند. نظریه کوانتومی برای طراحی قطعات الکترونیکی، مواد اولیه جدید و داروها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بدون نظریه کوانتومی هیچ رایانه، تلفن همراه و یا بسیاری دیگر از اختراعاتی که دردهه های اخیر انجام شده صورت نمی‌گرفت، زیرا تحلیل خواص اتم‌ها، مولکول‌ها و مواد مدیون نظریه کوانتوم است و مبنای همه تجهیزات الکترونیکی تحلیل این خواص می باشد.

ماکس پلانک :

ماکس پلانک (1858-1947) متولد شهر کیل آلمان بوده است. پلانک در مدرسه در همه حوزه‌ها فوق العاده بود و همچنین موسیقیدانی با استعداد به شمار می‌رفت اما تصمیم گرفت زندگی‌اش را وقف فیزیک کند. ثابت پلانک (عدد ثابت پلانک) برای محاسبه انرژی کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلانک در سال 1918 برنده جایزه نوبل فیزیک شد.

جهش کوانتومی :

در داخل اتم‌ها، الکترون‌ها پوسته‌ها را اشغال می‌کنند. در هر پوسته، الکترون دارای انرژی مشخصی است. اگر یک الکترون به یک پوسته انرژی بالاتر یا پوسته انرژی پایین‌تر حرکت کند گفته می‌شود که جهش کوانتومی انجام داده است.

اصل عدم قطعیت :

نظریه کوانتومی نشان می‌دهد که موقعیت و سرعت یک کوانتوم را به طور دقیق نمی‌توان شناسایی کرد. به این ترتیب اصل عدم قطعیت نشان می‌دهد که ما فقط می‌توانیم احتمالات را محاسبه کنیم، نه یقین‌ها را.

دید کلی بور:

نیلز بور (1962 – 1885)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم ، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله‌ای دارد به این مضمون که اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است.

 

تصویر

شکل ۱: ساختمان اتم

تقسیم ماده:

از یک رشته دراز ماکارونی پخته شروع می‌کنیم. اگر این رشته ماکارونی را نصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصف نصف آن را هم نصف کنیم و … شاید آخر سر به چیزی برسیم، البته اگر چیزی بماند! که به آن مولکول ماکارونی می‌توان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه تقسیم، به مولکول‌های کربن یا هیدروژن یا … بر بخوریم.

این وسط، چیزی که به درد ما می‌خورد (یعنی به درد نفهمیدن کوانتوم!) این است که دست آخر، به اجزای گسسته‌ای به نام مولکول یا اتم می‌رسیم. این پرسش از ساختار ماده که آجرک ساختمانی ماده چیست؟ ، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیک کلاسیک ، چنین پاسخ گفته‌ایم: ساختار ماده، ذره‌ای و گسسته است؛ این یعنی نظریه مولکولی. [59]

تقسیم انرژی:

ایده تقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب‌تری بکار ببریم، یا فکر کنیم که می‌توان بکار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخل یک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصف بیرون بدهیم. صوت یک موج مکانیکی است که می‌تواند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شود. چشمه‌های صوت معمولاً سیستمهای مرتعش هستند. ساده‌ترین این سیستمها، تار مرتعش است که در حنجره انسان هم از آن استفاده شده است. براحتی و بر اساس مکانیک کلاسیک می‌توان نشان داد که بسیاری از کمیتهای مربوط به یک تار کشیده مرتعش، از جمله فرکانس ، انرژی، توان و … گسسته (کوانتیده) هستند.
گسسته بودن در مکانیک موجی پدیده‌ای آشنا و طبیعی است. امواج صوتی هم مثال دیگری از کمّیتهای گسسته (کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند. مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیک مدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد و یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است. پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومی نیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمّیت‌های فیزیکی، همه مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّیت‌های گسسته در فیزیک کلاسیک هم وجود دارند. [59]

 
شکل ۲: ساختمان کوانتومی
شکل ۲: ساختمان کوانتومی

مولکول نور:

فرض کنید بجای رشته ماکارونی، بخواهیم یک باریکه نور را بطور مداوم تقسیم کنیم. آیا فکر می‌کنید که دست آخر به چیزی مثل «مولکول نور» (یا آنچه امروز فوتون می‌نامیم) برسیم؟ چشمه‌های نور معمولاً از جنس ماده هستند. یعنی تقریباً همه نورهایی که دور و بر ما هستند از ماده تابش می‌کنند. ماده هم که ساختار ذره‌ای ـ اتمی دارد. بنابراین، باید ببینیم اتم‌ها چگونه تابش می‌کنند یا می‌توانند تابش کنند؟ [59]

تابش الکترون:

در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتمها، مثل میوه‌ها، دارای هسته مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترونها به دور هسته می‌چرخند. اما الکترونهای در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصول الکترومغناطیس، «ذره باردارِ شتابدار باید تابش کند» و در نتیجه انرژی از دست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. منظور این است که الکترون تحریک شده به حالت اولیه خود باز خواهد گشت. یا به عبارتی الکترون با تحریک از مدار خود به مدارات بالاتر رفته و با از دست دادن انرژی به مدار خود باز خواهد گشت. این سرنوشتی بود که مکانیک کلاسیک برای تمام الکترونها پیش بینی می‌کند. طیف تابشی اتمها، بر خلاف فرضیات فیزیک کلاسیک گسسته است. به عبارت دیگر، نوارهایی روشن و تاریک در طیف تابشی دیده می‌شوند.

اگر الکترونها به این توصیه عمل می‌کردند، همه مواد (از جمله ما انسانها) باید از خود اشعه تابش می‌کردند (همانطور که می‌دانید اشعه برای سلامتی خطرناک است اشعه بافت های سلولی را تحریک نموده و در حال حاضر مراکز مختلفی در سطح جهان در خصوص تاثیر اشعه بر تومورهای سرطانی تحقیق می نمایند که غالبا اشعه را تهدیدی برای سلامتی می دانند)، ولی می‌بینیم از تابشی که باید با حرکت مارپیچی الکترون به دور هسته حاصل شود اثری نیست و طیف نوری تابش شده از اتمها بجای اینکه در اثر حرکت مارپیچی و سقوط الکترون پیوسته باشد، یک طیف خطی گسسته است؛ مثل برچسبهای رمزینه‌ای (barcode) که روی اجناس فروشگاهها می‌زنند.

یعنی یک اتم خاص، نه تنها در اثر تابش ماهیت خود را از دست نداده (الکترونی از دست نداده که تبدیل به نوع دیگری از اتم شود)، بلکه نوری هم که از خود تابش می‌کند، رنگ‌های یا فرکانسهای گسسته و معینی دارد. گسسته بودن طیف تابشی اتمها از جمله علامت سؤال‌های ناجور در مقابل فیزیک کلاسیک و فیزیکدانان دهه 1890 بود. [59]

فاجعه فرابنفش:

ماکسول (1879-1831) نور را به صورت یک موج الکترومغناطیس در نظر گرفته بود. از اینرو، همه فکر می‌کردند نور یک پدیده موجی است و ایده «مولکول نور»، در اواخر قرن نوزدهم، یک لطیفه اینترنتی یا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب می‌شد. به هر حال، دست سرنوشت یک علامت سؤال ناجور هم برای ماهیت موجی نور در آستین داشت که به «فاجعه فرابنفش» مشهور شد. یک محفظه بسته و تخلیه شده را که روزنه کوچکی در دیواره آن وجود دارد، در کوره‌ای با دمای یکنواخت قرار دهید و آنقدر صبر کنید تا آنکه تمام اجزاء به دمای یکسان (تعادل گرمایی) برسند. در دمای به اندازه کافی بالا، نور مرئی از روزنه محفظه خارج می‌شود (مثل سرخ و سفید شدن آهن گداخته در آتش آهنگری).

شکل ۳: فاجعه فرابنفش
شکل ۳: فاجعه فرابنفش

 

جسم سیاه :

نمودار انرژی تابشی در واحد حجم محفظه، مطابق رابطه رایلی- جینز در فیزیک کلاسیک و رابطه پیشنهادی پلانک در تعادل گرمایی، نشان میدهد محفظه دارای انرژی تابشی است که آن را در تعادل تابشی ـ گرمایی با دیواره‌ها نگه می‌دارد. به چنین محفظه‌ای »جسم سیاه« می‌گوییم. یعنی اگر روزنه به اندازه کافی کوچک باشد و پرتو نوری وارد محفظه شود، گیر می‌افتد و نمی‌تواند بیرون بیاید.

در یک جسم سیاه که به آن انرژی تابش شده، وضعیت انرژی امواج نوری در آن چگونه است؟ جواب فیزیک کلاسیک به این سؤال این است که میزان انرژی بعضی از طول موجها نسبت به بقیه طول موج ها بسیار بزرگ است! یعنی در یک محفظه روزنه دار که انرژی محدودی وجود دارد، مقدار انرژی در برخی طول موج‌ها فوق‌العاده زیاد است. طول موجهای فرابنفش جزء این طول موج ها می باشند. [59]

رفتار موجی ـ ذره‌ای:

در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولین گام را بسوی مولکول نور برداشت و با استفاده از ایده تقسیم نور، جواب مناسبی به این سؤال داد. او فرض کرد که انرژی تابشی در هر فرکانس v به صورت مضرب صحیحی از hv است، که در آن h یک ثابت طبیعی (معروف به «ثابت پلانک») است. یعنی فرض کرد که انرژی تابشی در فرکانس v از «بسته‌های کوچکی با انرژی hv» تشکیل شده است. یعنی اینکه انرژی نورانی، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است.

البته گسسته بودن انرژی به‌تنهایی در فیزیک کلاسیک حرفِ ناجوری نبود، بلکه آنچه گیج کننده بود و آشفتگی را بیشتر می‌کرد، ماهیت «موجی ـ ذره‌ای» نور بود. این تصور که چیزی (مثلاً همین نور) هم بتواند رفتاری مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاری مثل «ذره»، به طرز تفکر جدیدی در علم محتاج بود. [59]

مکانیک کوانتوم:

اجازه دهید به قلب مکانیک کوانتوم سفر کنیم: یعنی تابع موج. تابع موج یک تابع ریاضی است که بدون هیچ گونه اثباتی وارد نظریه کوانتوم شده است. در واقع تابع موج را به عنوان یک اصل موضوعه یا پیش فرض مکانیک کوانتوم در نظر می‌گیریم و آن را بدون هیچ اثباتی می‌پذیریم. اما تابع موج چیست؟ تابعی که فرض می‌کنیم تمام اطلاعات را در مورد ذره در دل آن نهفته است. روی کاغذ، تابع موج تنها یک ابزار ریاضی است که فیزیک‌دانان آن را با علامت یونانی نشان می‌دهند و آن را برای توصیف رفتار کوانتومی یک ذره استفاده می‌کنند. یعنی تابع موج به آنها اجازه می‌دهد تا احتمال مشاهده‌ی یک الکترون را در موقعیتی مشخص، یا شانس‌هایی که اسپین آن به سمت بالا یا پایین باشد را محاسبه کنند. اما ریاضیات دقیقاً مشخص نمی‌کند که تابع موج واقعا چیست؟! آیا یک ماهیت فیزیکی است؟ یا تنها یک ابزار محاسباتی برای توجیه پدیده ها در مورد جهان است؟ برای پاسخ به این سوال بهتر است تا با آزمایش هایی ماهیت تابع موج را آشکار کنیم: حقیقیت اسرارآمیزی که در قلب شگفتی های مکانیک کوانتوم است. [60]

آزمایش‌های بسیاری برای پاسخ به این سوال انجام شده، اما هنوز پاسخ قطعی و روشنی معلوم نشده است. در هر حال محققان بسیار خوشبین هستند که پاسخ این سوال در آینده‌ی نزدیکی پیدا خواهد شد. آیا یک ذره واقعاً می‌تواند در آن واحد در چند مکان باشد؟ آیا جهان به طور پیوسته خودش را به جهان‌های موازی تقسیم می‌کند و هر کدام از ما با نسخه‌های دیگرمان در آنها حضور خواهیم داشت؟؟ آیا چنین چیزهایی واقعاً وجود دارند؟ این ها نمونه‌هایی از سوالاتی هستند که هر کسی زمانی از خودش پرسیده است. حقیقت واقعاً چیست؟

بحث بر سر ماهیت واقعیت به فهم فیزیک‌دانان در روزهای اولیه‌ی تولد نظریه‌ی کوانتوم باز می‌گردد، زمانی که معلوم شد ذره و موج، دو روی یک سکه‌اند. مثال بسیار معروف در این مورد، آزمایش دو شکاف است که الکترون‌ها از منبعی تابیده می‌شوند و در مقابل این منبع سدی با دو شکاف قرار دارد. به نظر می‌رسد که الکترون از هر دو شکاف گذشته است و دقیقاً مثل کاری که یک موج نوری، یک الگوی تداخلی نواری را نشان می‌دهد. در سال ۱۹۲۶، فیزیک‌دان اتریشی، اروین شرودینگر تابع موج را برای توصیف چنین رفتاری اختراع کرد، اما نه او و نه هیچ کس دیگری نتوانست چیزی در مورد ماهیت تابع موج بگوید.

آزمایش دو شکاف
شکل ۴: نمایش موج

 

تفسیر کپنهاگی نظریه‌ی کوانتوم که در سال ۱۹۲۰ توسط فیزیک‌دانان مشهوری چون نیلز بور و ورنر هایزنبرگ توسعه یافت، بیان می‌کند که تابع موج، چیزی بیشتر از یک ابزار ریاضی برای پیش‌بینی نتایج مشاهدات نیست و شما نمی‌توانید اکثر فیزیک‌دانان را به خاطر دنبال کردن این طرز فکر که «خفه شو و محاسبه کن» (این طرز تفکر در بین فیزیکدانان رایج بوده و بدین معنی است که محاسباتت را با تابع موج انجام بده و روی ماهیت آن فکر نکن زیرا نمی‌توانید به جواب برسید و عملاً کارها با وقفه مواجه خواهد شد) سرزنش کنید، چرا که همین کار منجر به پیشرفت‌های فوق‌العاده‌ای در فیزیک هسته‌ای، فیزیک اتمی و شیمی کوانتومی شده است. [60]

اما هنوز عده‌ای از فیزیک‌دانان به مفاهیم پایه‌ای و ماهیت واقعیت فکر می‌کردند. در سال ۱۹۳۰، آلبرت اینشتین تفسیر کپنهاگی را رد کرد. در واقع تفسیر کپنهاگی به رفتار موج گونه دو ذره می‌پردازد. اینشتین ترجیح داد تا به جای پذیرفتن چنین حالت شبح واری، فرض کند که تابع موج کامل نیست و در واقع علم ما از فهم این واقعیت عاجز است. در واقع او پیشنهاد داد که شاید متغیرهایی مخفی وجود داشته باشند که نظریه‌ی کوانتوم هنوز قادر به اندازه‌گیری آنها نیست.

آزمایش‌ها نشان دادند که این حالت شبح وار، کاملاً واقعی است، با این حال تفسیرهای مختلف دانشمندان هنوز ادامه داشت. این تفاسیر به دو مکتب تقسیم شدند. عده‌ای که با اینشتین موافق بودند که تابع موج جهالت ما را نشان می‌دهد (به عبارتی نشان از ضعف دانشی ما در خصوص خاصیت ذره ای و موجی است). عده‌ای که تابع موج را یک واقعیت می‌دانند مکتب هستی شناسی نام گرفتند که بخشی از مکتب معرفت شناسی به حساب می‌آیند. [60]

برای روشن شدن تفاوت‌ها بهتر است نگاهی به آزمایش متفکرانه‌ای که شرودینگر در سال ۱۹۳۵ در نامه‌ای به اینشتین نوشت، بیندازیم. منظورم همان آزمایش مشهور گربه‌ی شرودینگر است. گربه‌ای را در یک جعبه‌ی فولادی بسته تصور کنید و فرض کنید که درون این جعبه نمونه‌ای از یک ماده‌ی رادیواکتیو قرار دارد که احتمال تابش محصولات مرگبار آن طی یک ساعت، ۵۰ درصد است. از آنجایی که تجزیه‌ی ماده‌ی رادیواکتیو یک رویداد کوانتومی است، شرودینگر معتقد بود که  طبق قوانین نظریه‌ی کوانتوم، در پایان یک ساعت، تابع موج داخل جعبه باید مخلوطی مساوی از گربه‌ی زنده و گربه‌ی مرده باشد!

گربه شرودینگر

 

 

گربه شرودینگر
شکل ۵: تفسیر تابع موج

شکل ۵: تفسیر تابع موج

در مکتب معرفت شناسی، گربه‌ی داخل جعبه یا زنده است یا مرده و ما نمی‌دانیم در واقع کدام امر محقق شده است، زیرا جعبه بسته است. اما مکتب هستی شناسی می‌گوید: تا زمانی که در جعبه باز نشود، گربه هم مرده است و هم زنده! این جایی است که بحث بالا می‌گیرد. کدام تفسیر نظریه‌ی کوانتوم درست است؟ این یک پرسش بسیار متفکرانه است چرا که تفاوت بین دو مکتب، بسیار ظریف است. [60]

۲-تاریخچه مخابرات و محاسبات کوانتومی

  • نقطه شروع تحول در این زمينه توسط A. Turing ریاضي‌دان انگليسي در سال 1936 ميلادي بود. او طي مقاله‌ای نمونه‌ای براي محاسبات ارائه داد، كه هم اکنون به عنوان ماشين تورینگ[1] مشهور است (ماشين تورینگ یک دستگاه فرضی است که برای تحلیل عملکردهای بسیار پیچیده استفاده می‌شود. در حال حاضر این ماشین برای شبیه‌سازی الگوریتم‌های کامپیوتری و توضیح نحوه عملکرد یک واحد پردازشگر مرکزی به کار گرفته می‌شود). در همین سال J. V. Neuman ریاضي‌دان، نظریه‌ای ساده ارائه داد كه چگونه می‌توان اجزای لازم یک رایانه را در كنار هم قرارداد تا توانایی‌های یک ماشين تورینگ را داشته باشد. این الگوریتم پایه تمامي رایانه‌های امروزي است.
  • در سال 1947 ميلادي با كشف ترانزیستور توسط J. Bardeen، W. Brattain و W. Shockley سخت‌افزار جهش بزرگي كرد. پيشرفت و رشد سخت‌افزار هنوز هم با سرعت ادامه دارد.
  • موضوع رمزنگاري كوانتومي با ارائه مقاله‌ای در سال 1960 ميلادي توسط S. Wiesner آغاز شد. در این مقاله اولین ایده را مطرح ساخت كه چگونه می‌توان از فيزیک كوانتومي براي توليد اسکناس‌های غيرقابل جعل، حفاظت از صورت‌حساب‌های بانکي، جلوگيري از تقلب و … استفاده نمود .
  • در سال 1965 ميلادي گوردن مور قانوني تجربي مشهور به قانون مور در ارتباط با رشد قدرت رایانه‌ها ارائه نمود كه قدرت رایانه‌ها هر 98 ماه، دو برابر می‌گردد.
  • رمزنگاري كوانتومي هنگامي در كانون توجه قرار گرفت كه، در سال 1971 ميلادي Bennet و Brassard از دانشگاه مونترال همکاري مشتركي را آغاز نمودند و حدود 5 سال بعد روش توزیع كليد كوانتومي (QKD)[2] توسط آن دو ارائه گردید و در اواخر دهه هشتاد ميلادي آن را كاربردي ساختند.
  • R. Feynman فيزیک­دان برجسته و برنده جایزه نوبل فيزیک، در سال 1982 ميلادي ایده زیباي ساخت رایانه‌هایی بر پایه اصول مکانيک كوانتومي را مطرح نمود.
  • در سال 1984 ميلادي Bennet و G. Brassard نخستين پروتکل كوانتومي را براي ایجاد توزیعي از كليد بين دو شخص ارائه دادند. در این پروتکل از دو پایه مکمل براي كد كردن بیت‌ها استفاده می‌شود.
  • یکي دیگر از اندیشمنداني كه سهم مهمي در گسترش محاسبات كوانتومي دارد Deutch است، وي به دنبال نظریه فيزیکي بود كه رهيافتي براي ایده چرخ تورینگ ارائه دهد.
  • در سال 1992 ميلادي R. Feynman و S. Wiesner توضيح دادند كه چگونه می‌توان دو بيت كلاسيکي اطلاعات را تنها با انتقال یک بيت كوانتومي منتقل كرد. به این نتایج لقب كدگذاري چگال[3] داده‌اند.
  • در طول یک دهه بعد این ایده دانشمندان بسياري دنبال شد. P. Shor در سال 1994 ميلادي سبب یک نقطه عطف در این رابطه گشت. كارهاي P. Shor نشان‌دهنده برتري رایانه‌های كوانتومي بر رایانه‌های كلاسيک است و درواقع پاسخ به سؤال اساسي بود كه پیش از این بيان گردید. یکی از مهم‌ترین کارهای او مطرح نمودن الگوریتم شر است، الگوریتمی کوانتومی برای تجزیه اعداد طبیعی که سرعت آن به طور نمایی از سریع‌ترین الگوریتم‌های شناخته شده روی رایانه‌های کلاسیک بیشتر است. این الگوریتم در صورت پیاده­سازی در رایانه­های کوانتومی می­تواند امنیت سیستم­های رمزنگاری RSA را که امنیتش بر اساس پیچیدگی تجزیه به اعداد اول است را تهدید می­کند.
  • جنبه دیگري از توانمندي بالاي رایانه‌های كوانتومي در سال 1995 ميلادي نمایان شد، هنگامی‌که L. Grover نشان داد كه مسئله جستجو در یک فضاي درهم‌ریخته را می‌توان با سرعت بالایي (ضریبی از در رایانه‌های كوانتومي حل كرد. منظور از مرتبه‌ای (Order) از آن خواهد بود که غالباً برای نمایش پیچیدگی محاسباتی از آن استفاده می‌گردد.
  • رمزنگاري كوانتومي هنگامي در كانون توجه قرار گرفت كه، در سال 1971 ميلادي Bennet و Brassard از دانشگاه مونترال همکاري مشتركي را آغاز نمودند و حدود 5 سال بعد روش توزیع كليد كوانتومي (QKD)[4] توسط آن دو ارائه گردید و در اواخر دهه هشتاد ميلادي آن را كاربردي ساختند.
  • اوج دوران توجه به رمزنگاري كوانتومي وقتي آغاز گردید كه Ekert نخستين سمينار بین‌المللی را در مورد رمزنگاري كوانتومي در سال 1994 ميلادي در انگلستان ارائه داد.
  • پژوهشگران دانشگاه فناوری دلفت هلند در ماه می ۲۰۱۴ (خرداد ۱۳۹۳) برای نخستین‌بار موفق به تله‌پورت اتم‌ها بین دو نقطه در فاصله ۳ متری از یکدیگر شدند که می‌تواند به معنای امکان‌پذیر بودن تله‌پورت انسان در آینده باشد. در این پژوهش، اطلاعات رمزگذاری شده به ذرات زیراتمی را بین دو نقطه در فاصله ۳ متری از یکدیگر با دقت ۱۰۰ درصدی منتقل کردند؛ اطلاعات به‌راحتی از یک سمت به سمت دیگر منتقل شد و هیچ عاملی نتوانست این فرایند را مختل کند. این دستاورد نخستین گام برای توسعه شبکه‌های شبه اینترنت بین رایانه‌های کوانتومی فوق سریع محسوب می‌شود.
  • دانشمندان چینی یک ذره را بدون عبور از فضای فیزیکی به مدار زمین فرستادند. دانشمندان چینی موفق شدند یک ذره را به‌صورت تله‌پورت یا دورنوردی یعنی به شکلی که ذره از فضای فیزیکی عبور نکرده، از زمین به مدار زمین ارسال کردند. (مدار زمین در ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتر بالاتر از سطح دریا و دقیقاً بر فراز خط استوای زمین قراردارد. سرعت دورانی لازم برای استقرار یک ماهواره در این مدار، با سرعت چرخش زمین به‌دور خود برابر است. این مدار را اصطلاحاً مدار سنکرون نیز می‌گویند).
  • سال 2016، دو گروه جداگانه توانستند اولین تله‌پورت کوانتومی را در خارج از آزمایشگاه انجام دهند. هم‌اکنون دانشمندان چینی این فرایند را در چندین مرحله انجام داده‌اند: آنها با موفقیت یک فوتون (از زوج فوتونی) از زمین به ماهواره‌ای که بیش از ۵۰۰ کیلومتر از ما فاصله دارد را منتقل کردند. این ماهواره که «میسیوس[5]» نام دارد، یک گیرنده عکس حساس به نور است که حالات کوانتومی تک‌تک فوتون‌ها را از روی زمین هم تشخیص می‌دهد. میسیوس به منظور انجام آزمایش‌های کوانتومی مثل درهم‌تنیدگی، رمزنگاری و تله‌پورت یا دورنوردی به فضا پرتاب شده است. این آزمایش یکی از نخستین نتایجی است که دانشمندان از تله‌پورت تجربه کردند. این گروه چینی نه تنها اولین شیء را از زمین به مدار فضایی، تله‌پورت کرده است، بلکه اولین شبکه کوانتومی بین زمین و ماهواره را ایجاد کرد که توانست رکورد مسافت انتقال فوتون درهم‌تنیده را به نام خود ثبت کند.

۳-مفاهیم پایه‌ای در تئوری کوانتوم

تئوري اطلاعات كوانتومي، درواقع تعداد محدودي مفاهيم مهم دربر دارد. ما در اینجا هركدام از این مفاهيم تئوري كوانتوم را به‌طور خلاصه مرور می‌کنیم و در بخش‌های بعد آن‌ها را شرح می‌دهیم. بعضي از این پدیده­هاي تجربي صرفاً كوانتومي هستند و برخي دیگر در حالت كلاسيکي هم می‌توانند رخ دهند. این مفاهيم عبارت‌اند از:

  • عدم تعيین[6]
  • تداخل[7]
  • عدم قطعيت[8]
  • برهم‌نهی[9]
  • در هم تنيدگي[10]

در زیر مفهوم هر کدام تشریح می گردد:

الف) عدم تعیين

نظریه كوانتومي نامعین است، زیرا فقط احتمالات مربوط به رخ داد وقایع را پیش‌بینی می‌کند. این جنبه از تئوري كوانتوم در نقطه مقابل خاصيت قطعي بودن[11] تئوري كلاسيکي مانند آنچه توسط قوانين نيوتني پیش‌بینی شده است، قرار دارد. در سيستم نيوتني، با اطمينان می‌توان مسيرهاي تمام اشياء درگير در تعامل را پیش‌بینی كرد، اگر تنها موقعیت‌ها و سرعت‌های اوليه اشياء را بدانيم.­ درواقع، ما هرگز نمی‌توانیم اطلاعات كامل در مورد موقعیت‌ها و سرعت‌های هر شی‌ء­اي در هر سيستم فيزیکي داده شده را ارائه دهيم.

پس دخيل كردن تئوري احتمالاتي این اجازه را به ما می‌دهد كه احتمالات رخ داد حوادث را پیش‌بینی كنيم. با کمی اصلاحات، نظریه كلاسيک به نظریه نامعين تبدیل می‌شود. به این ترتیب، عدم تعیين، جنبه‌ی منحصربه‌فردی از نظریه‌ی كوانتومي نيست، بلکه صرفاً یک ویژگی‌های آن است؛ اما این ویژگي براي تئوري كوانتومي بسيار مهم است كه ما آن را در ميان مفاهيم اساسي قرار می‌دهیم.

ب) تداخل

تداخل یکي دیگر از ویژگی‌های نظریه كوانتوم است. این ویژگي نيز در هر موج كلاسيک وجود دارد. جنبه عجيب تداخل در نظریه كوانتوم این است كه حتي یک ذره تنها مانند یک الکترون می‌تواند ویژگی‌های موج مانند را نشان دهد، همان طور كه در آزمایش مشهور دو شکاف وجود دارد ) گرین( (1999) این تداخل كوانتومي چيزي است كه موجب دوگانگي موج-ذره هر مؤلفه اساسي ماده می‌شود.

ج) عدم قطعیت

عدم قطعیت در قلب تئوري كوانتوم قرار دارد. عدم قطعيت در نظریه كوانتوم اساساً با عدم قطعيت در نظریه كلاسيک متفاوت است. نمونه اوليه از عدم قطعيت در نظریه كوانتوم براي یک‌ذره تنها اتفاق می‌افتد. این ذره داراي دو متغير مکمل است: موقعيت و حركت آن. اصل عدم قطعيت بيان می‌کند كه آگاهي دقيق از موقعيت و حركت آن غيرممکن است. ممکن است بگویيم ما فقط می‌توانیم بدانيم كه چه چيزي را اندازه می‌گیریم و بنابراین می‌توانیم تنها پس از انجام یک اندازه­گيري دقيق که آن را تعيين می‌کنیم، موقعيت ذره را بدانيم. اگر ما حركت دقيق آن را اندازه‌گیری كنيم، همه اطلاعات مربوط به موقعيت ذره را پس از اطلاع یافتن از حركت آن از دست می‌دهیم. چون برای اطلاع یافتن از حرکت، لازم است انرژی تابانده شود که خود باعث تغییر در موقعیت ذره می گردد.

ج) برهم‌نهی

اصل برهم‌نهی بيان می‌کند كه یک‌ذره كوانتومي می‌تواند در یک حالت تركيبي خطي یا حالت بر هم نه از هر دو حالت مجاز دیگر باشد. این اصل نتيجه خطي بودن نظریه كوانتومي است.

معادله موج شرودینگر یک معادله دیفرانسيل خطي است، به این معني كه تركيب خطي یک جواب معادله است اگر و هر دو جواب معادله باشند. می‌گوییم یک برهم‌نهي از دو جواب دیگر است. در اصل حالات کوانتومی تشکیل یک میدان برداری بر اعداد مختلط را می­دهد که به فضای هیلبرت[12] معروف است. اصل برهم‌نهی نتایج قابل‌توجهی براي تفسير نظریه كوانتوم دارد؛ به این معناست كه ذره می‌تواند در یک زمان «در یک حالت و حالت دیگر» باشد یعنی به صورت تصادفی می­تواند در حالت اول یا دوم باشد. ما صرفاً از زبان فني استفاده می‌کنیم كه یک ‌ذره در حالت برهم‌نهی از هر دو حالت است. تلفات برهم‌نهی می‌تواند از طریق تعامل ذره با محيط آن رخ دهد.

ج) درهم تنیدگی

قابل توجه‌ترین ویژگي «كوانتومی» كه ما در تحقیق برجسته می‌کنیم، درهم­تنيدگي است. هيچ قياس واقعي كلاسيکي از درهم­تنيدگي وجود ندارد. درهم تنيدگي به رابطه قوي کوانتومی‌ای اشاره دارد كه دو یا چند ذره كوانتومي می‌توانند داشته باشند. همبستگي در درهم­تنيدگي كوانتومي قوی‌تر از همبستگی‌های كلاسيک است. شرودینگر اولين بار پس از مشاهده برخي خصوصيات عجیب ‌و غریب آن، اصطلاح «درهم­تنيدگي» را به وجود آورد. (شرودینگر، 1935) سپس انيشتين[13]، پودولسکي[14] و روزن[15] یک پارادوكس ظاهري شامل درهم­تنيدگي را ایجاد كردند كه موجب نگراني در مورد كامل بودن نظریه كوانتوم شد ) انيشتين و همکاران، 1935). به این ترتیب، آنها پيشنهاد كردند كه ممکن است برخي از نظریه‌های متغيرهاي موضعي نهان[16] وجود داشته باشد كه می‌تواند نتایج آزمایش‌ها را توضيح دهد. حدود 30 سال طول كشيد تا این پارادوكس حل شود، اما جان بل[17] با ارائه یک نابرابري ساده كه در حال حاضر به‌عنوان یک نامساوي بل شناخته می‌شود (بل، 1964). او نشان داد كه هرگونه همبستگي كلاسيک دو ذره كه برفرض‌های «نظریه متغيرهاي نهان» انيشتين، پودولسکي و رزن مؤثر است، باید كمتر از مقدار مشخصي باشد. سپس، نشان داد كه چگونه ارتباطات دو ذره كوانتومي درهم‌تنیده می‌تواند این نامساوي را نقض كند و بنابراین، درهم­تنيدگي ازنظر همبستگی‌های كلاسيکي توضيحي ندارد، بلکه به‌عنوان یک پدیده كوانتومي منحصربه‌فرد است. آزمایش‌گرها بعدها تأیيد كردند كه دو ذره كوانتومي درهم‌تنیده می‌توانند نابرابري بل را نقض كنند. در علم اطلاعات كوانتومي، همبستگي غيركلاسيک (درهم­تنيدگي) در بسياري از پروتکل‌ها نقش اساسي ایفا می‌کند.

برای دیدن فلیم های سینماییِ مهیج و جذاب”در حوزه فناوری اطلاعات، اوسینت و هوش مصنوعی“، بر روی اینجا کلیک کنید.

آدرس کانال تلگرام سایت بیگ دیتا:

t.me/bigdata_channel

آدرس کانال سروش ما:
https://sapp.ir/bigdata_channel

جهت دیدن سرفصل های دوره های آموزشی بر روی اینجا کلیک کنید.

جهت ثبت نام در دوره های آموزشی بر روی اینجا کلیک کنید.

 

مراجع:

  1. Turing Machine

  2. Quantum Key Distribution

  3. Dense Coding

  4. Quantum Key Distribution

  5. Micius

  6. Indeterminism

  7. Interference

  8. Uncertainty

  9. Superposition

  10. Entanglement

  11. Deterministic

  12. Hilbert Space

  13. Einstein

  14. Podolsky

  15. Rosen

  16. local hidden-variable

  17. John Bell

 

همچنین ببینید

معماری-سقراط

معماری سقراط و معماری HADR و دستاوردها

مقدمه معماری-سقراطعناوين مطالبمقدمه معماری-سقراطمعماری HADRدستاورد های معماری سقراطADR(Accelerated Database Recovery)RBPE(Resilient Buffer Pool Extension)RBIO(Remote Block Input …