مقدمه
در قسمت پیشین، لایهی فیزیکی ارتباطات کوانتومی و اجزای اصلی یک لینک واقعی، از جمله رسانههای انتقال، منابع فوتونی و آشکارسازها، بررسی شد. همچنین نشان داده شد که انتخاب مناسب این اجزا و هماهنگی میان آنها نقش مستقیمی در کیفیت، برد و قابلیت اطمینان ارتباط دارد.
در ادامهی این بحث، لازم است بررسی شود که اطلاعات کوانتومی چگونه در حامل کوانتومی کدگذاری میشود و چگونه یک سامانه میتواند زمانبندی و بودجهی انتقال آن را مدیریت کند. ازاینرو، در این قسمت ابتدا قالبهای مختلف کدگذاری و حالتهای کوانتومی، از کدگذاری قطبش و بینزمانی تا کدگذاری فازی، فرکانسی و متغیرهای پیوسته، بررسی میشوند. سپس دو مؤلفهی مهم در طراحی یک لینک واقعی، یعنی همگامسازی زمانی و بودجهی لینک، مورد بررسی قرار میگیرند؛ عواملی که در نهایت محدوده، نرخ و پایداری ارتباط کوانتومی را تعیین میکنند.
جهت انتقال اطلاعات کوانتومی، انتخاب روش کدگذاری کوانتومی (Quantum Encoding Scheme) نقش تعیینکنندهای در کارایی و پایداری ارتباط دارد. هر روش کدگذاری بر اساس ویژگیهای فیزیکی فوتونها یا حاملهای دیگر تعریف میشود و میزان مقاومت آن در برابر نویز، تلفات و پاشندگی را مشخص میکند.
کدگذاری بر اساس قطبش (Polarization Encoding)
یکی از سادهترین و پرکاربردترین روشها، کدگذاری بر اساس قطبش (Polarization Encoding) است. در این شیوه، اطلاعات کوانتومی در حالتهای مختلف قطبش نور کدگذاری میشود؛ مانند قطبش افقی و عمودی یا قطبشهای مورب. این روش در آزمایشهای آزمایشگاهی بسیار رایج است، زیرا پیادهسازی آن ساده و کنترل و اندازهگیری قطبش از طریق اجزای اپتیکی مانند پولاریزرها، صفحات موج و تقسیمکنندههای پرتو قطبیشده امکانپذیر است. با این حال، در فیبرهای نوری طولانی، پایداری قطبش بهدلیل نوسانات محیطی کاهش مییابد. جهت رفع این مشکل، از کدگذاری بینزمانی (Time-Bin Encoding) استفاده میشود. در این روش، اطلاعات در زمانهای متفاوت ارسال پالس نوری ذخیره میگردد؛ بهطور مثال، حالت کوانتومی میتواند بهصورت ترکیبی از «پالس زود» و «پالس دیر» تعریف شود. این نوع کدگذاری نسبت به تغییرات قطبش در مسیر انتقال حساسیت کمتری دارد و به همین دلیل، بهویژه در سامانههای فیبری با مسیرهای طولانی، مورد توجه قرار گرفته است.
کدگذاری فازی و فرکانسی (Frequency-Bin Encoding & Phase Encoding)
روش دیگر، کدگذاری فازی (Phase Encoding) است که در این روش، اطلاعات کوانتومی در اختلاف فاز نسبی میان مؤلفههای نوری کدگذاری میشود. این تکنیک معمولاً در ساختارهای تداخلسنجی مانند مایکلسون یا ماخ-زندر به کار میرود و جهت پیادهسازی پروتکلهای توزیع کلید کوانتومی (QKD) بسیار مؤثر است، زیرا در برخی معماریهای پیادهسازی، اطلاعات بر پایهی اختلاف فاز نسبی کدگذاری میشود و در نتیجه، حساسیت به نوسانات شدت میتواند کاهش یابد. همچنین، در برخی سامانهها از کدگذاری فرکانسی (Frequency-Bin Encoding) استفاده میشود که در آن اطلاعات کوانتومی در مدهای فرکانسی مجزا و برهمنهیهای میان آنها کدگذاری میشود. این نوع کدگذاری امکان استفاده از مدهای فرکانسی مجزا را فراهم میکند و میتواند با روشهای چندکانالهسازی طیفی برای انتقال همزمان چندین کانال کوانتومی سازگار باشد.
کدگذاری بر پایهی متغیرهای پیوسته (Continuous-Variable Encoding)
در نهایت، گروهی از روشها تحت عنوان کدگذاری بر پایهی متغیرهای پیوسته (Continuous-Variable Encoding) شناخته میشوند. در این رویکرد، اطلاعات کوانتومی در متغیرهای پیوستهی میدان نوری، بهویژه مؤلفههای کوادراتور (Quadratures) میدان، کدگذاری میشود. آشکارسازی در این سیستمها معمولاً با استفاده از روش آشکارسازی هموداین (Homodyne Detection) انجام میگیرد. این نوع کدگذاری از نظر فنی با فناوریهای مخابرات نوری کلاسیک سازگاری بالایی دارد و پیادهسازی آن با لیزرهای پایدار و آشکارسازهای استاندارد امکانپذیر است. در شکل ۱، روشهای مختلف کدگذاری اطلاعات کوانتومی و نمایش شماتیک هر یک از این روشها ارائه شده است.
شکل 1: نمایش شماتیک روشهای مختلف کدگذاری اطلاعات کوانتومی. از بالا به پایین: نمایش حالتهای قطبش فوتون بر روی کره بلوخ و تفکیک آنها با استفاده از یک قطعه اپتیکی قطبیساز؛ پالسهای نوری زود و دیر (Early و Late) در یک ساختار تداخلسنجی فیبری نامتوازن؛ کدگذاری اطلاعات بر اساس اختلاف فاز نسبی مؤلفههای نوری با استفاده از مدولاتور فاز در یک ساختار تداخلسنجی؛ نمایش مدهای فرکانسی مجزا و برهمنهیهای میان آنها؛ و نمایش فضای فاز یک حالت گاوسی و آشکارسازی هموداین.
بهطور کلی، انتخاب قالب مناسب جهت کدگذاری اطلاعات کوانتومی به نوع کانال، طول مسیر، شرایط محیطی و فناوری آشکارسازی بستگی دارد. در برخی سیستمهای واقعی، ممکن است از ترکیب چند روش کدگذاری یا چند درجه آزادی فوتونی برای تأمین نیازمندیهای خاص سامانه استفاده شود. این تنوع در روشهای کدگذاری یکی از عوامل کلیدی در توسعهی سامانههای ارتباطی کوانتومی چندمنظوره و قابل اعتماد به شمار میرود.
همگامسازی و بودجهی لینک (Synchronization and Link Budget)
در سامانههای ارتباطی کوانتومی، یکی از مهمترین چالشها همگامسازی دقیق زمانی (Precise Temporal Synchronization) میان فرستنده و گیرنده است. از آنجا که اطلاعات کوانتومی معمولاً در قالب پالسهای نوری بسیار کوتاه (در حد نانوثانیه یا حتی پیکوثانیه) منتقل میشود، کوچکترین ناهماهنگی در زمانبندی میتواند باعث شود فوتونها از بازهی آشکارسازی خارج شده و اطلاعات از دست برود.
جهت تحقق این همزمانی، باید ساعتهای دو طرف ارتباط با دقت بسیار بالا تنظیم شوند. این کار معمولاً از طریق توزیع یک مرجع زمانی یا فرکانسی (Timing or Frequency Reference Distribution) انجام میشود که میتواند بر پایهی سیگنالهای نوری مرجع، منابع نوری پایدار یا سیگنالهای رادیویی همفاز باشد. در برخی سیستمهای پیشرفتهتر، از همگامسازی دوطرفه (Two-Way Synchronization) برای تخمین و جبران اثر تأخیر انتشار در مسیر (Propagation Delay) استفاده میشود. دقت همگامسازی زمانی میتواند بر عملکرد آشکارسازی و در نتیجه بر نرخ خطای کوانتومی (Quantum Bit Error Rate, QBER) و در برخی سامانهها بر وفاداری انتقال (Fidelity) تأثیر بگذارد. بخش دیگری از طراحی سامانههای کوانتومی مربوط به بودجهی لینک (Link Budget) است که نقش مشابهی با تحلیل تلفات در مخابرات کلاسیک دارد، اما در اینجا حساستر و دقیقتر است. بودجهی لینک شامل ارزیابی تلفات انتقال و بازده اجزای سامانه است؛ از جمله تلفات کانال (فیبر یا مسیر آزاد)، تلفات اپتیکی اجزا، بازده منبع فوتونی و بازده آشکارساز. همچنین، اثر نویز زمینه و سایر منابع خطا در برآورد نرخ آشکارسازی و عملکرد نهایی سامانه در نظر گرفته میشود. هدف از این محاسبات، برآورد احتمال دریافت و آشکارسازی فوتون در مقصد و ارزیابی عملکرد انتقال کوانتومی است.
به عنوان مثال، اگر احتمال تولید یا کوپلشدن فوتون به مسیر انتقال ۶۰ درصد، فیبر نوری دارای تلفات ۰٫۲ دسیبل بر کیلومتر و آشکارساز دارای بازده آشکارسازی ۸۰ درصد باشد، میتوان احتمال تقریبی آشکارسازی فوتون را در فواصل مختلف تخمین زد. بر اساس این پارامترها، میتوان احتمال آشکارسازی فوتون و تغییرات آن را با افزایش فاصلهی انتقال تخمین زد.
در طراحی شبکههای واقعی، بودجهی لینک نقشی حیاتی دارد؛ زیرا به ارزیابی نیازمندیهای سامانه و انتخاب اجزای مناسب، مانند منابع نوری با عملکرد مطلوب، آشکارسازهای با بازده بالاتر و تجهیزات اپتیکی با تلفات کمتر، کمک میکند. در فواصل بسیار طولانی نیز، در معماریهای پیشرفته، استفاده از فناوریهایی مانند تکرارکنندههای کوانتومی میتواند بهعنوان یکی از راهکارهای بالقوه برای توسعهی برد ارتباط مورد بررسی قرار گیرد. این تحلیل، اساس برنامهریزی جهت شبکههای شهری، بینشهری و ماهوارهای کوانتومی است و بدون آن، برقراری ارتباط پایدار و ایمن ممکن نخواهد بود.
در نهایت، میتوان گفت همگامسازی دقیق و طراحی بهینهی بودجهی لینک دو ستون اصلی در مهندسی سیستمهای ارتباطی کوانتومی هستند. این دو عامل نهتنها کیفیت و پایداری ارتباط را تعیین میکنند، بلکه مرزهای فنی فاصله و سرعت در شبکههای کوانتومی آینده را نیز مشخص میسازند.
در قسمت بعد، با تکیه بر این مبانی، اجزای اصلی شبکههای کوانتومی و معماریهای مختلف آنها بررسی خواهد شد و نحوهی ارتباط و تعامل این اجزا در شکلگیری یک شبکهی کوانتومی یکپارچه مورد بررسی قرار میگیرد.
منابع
Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., & Zbinden, H. (2002). Quantum cryptography. Reviews of Modern Physics, 74(1), 145–195.
Pirandola, S., Andersen, U. L., Banchi, L., Berta, M., Bunandar, D., Colbeck, R., ... & Wallden, P. (2020). Advances in quantum cryptography. Advances in Optics and Photonics, 12(4), 1012–1236.
van Meter, R. (2014). Quantum networking. Wiley-IEEE Press..