مقدمه
در بخشهای پیشین، ارتباطات کوانتومی از جنبههای بنیادی و فیزیکی از منظر مفاهیم پایه و انواع کانالهای کوانتومی گرفته تا ظرفیت کانالها و محدودیتهای بنیادی انتقال اطلاعات بررسی شد. سپس، نقش سنجش کوانتومی، رسانههای انتقال، منابع فوتونی، آشکارسازها و سازوکارهای همگامسازی در ایجاد یک لینک ارتباطی واقعی مورد بررسی قرار گرفت و در ادامه، روشهای مختلف کدگذاری حالتهای کوانتومی و ملاحظات مربوط به انتقال و دریافت آنها تشریح شد. با این حال، برقراری ارتباط کوانتومی در مقیاس گسترده تنها به عملکرد یک لینک منفرد وابسته نیست؛ بلکه نیازمند مجموعهای از گرهها، حافظهها، تجهیزات واسط و سازوکارهایی است که بتوانند این لینکها را به یک زیرساخت شبکهای منسجم تبدیل کنند. از این رو در قسمت دوم، تمرکز از سطح لینک و اجزای منفرد به سطح شبکه معطوف میشود و مهمترین اجزای تشکیلدهنده شبکههای کوانتومی و نقش آنها در ایجاد، ذخیره، انتقال و گسترش درهمتنیدگی بررسی خواهد شد.
در طراحی و تحلیل شبکههای کوانتومی، شناخت ساختار کلی و تعامل میان زیرسامانهها اهمیت بنیادین دارد. معماری چنین شبکهای را میتوان بهصورت مجموعهای از مؤلفههای بههمپیوسته در نظر گرفت که هر یک نقشی ویژه در ایجاد، انتقال و نگهداری درهمتنیدگی ایفا میکنند. این مؤلفهها از حافظههای کوانتومی و تکرارکنندهها گرفته تا مبدلهای کوانتومی و لایههای ارتباطی، بهگونهای هماهنگ عمل میکنند تا ارتباطات پایدار در مقیاس بزرگ ممکن شود.
حافظههای کوانتومی (Quantum Memories)
یکی از اجزای اساسی شبکههای کوانتومی، حافظههای کوانتومی هستند که وظیفه ذخیره حالتهای کوانتومی جهت مدت زمان مشخص و بازیابی آنها در لحظه مناسب را بر عهده دارند. این حافظهها بستر لازم جهت هماهنگی میان گرههای مختلف شبکه را فراهم میکنند.
پلتفرمهای متنوعی جهت پیادهسازی حافظههای کوانتومی وجود دارد؛ از جمله اتمهای سرد در تلههای مغناطیسی یا نوری، بلورهای دوپشده با عناصر خاکی کمیاب (Rare-Earth Doped Crystals)، مراکز تهی جایگاه نیتروژن مانند NV Centers، و یونهای به دامافتاده. عملکرد این حافظهها بر اساس شاخصههایی چون زمان همدوسی (Coherence Time)، پهنای باند (Bandwidth) و قابلیت چندحالته (Multi-Mode Capacity) سنجیده میشود.
تکرارکنندههای کوانتومی (Quantum Repeaters)
یکی از بزرگترین چالشها در برقراری ارتباطات کوانتومی در فواصل طولانی، تلفات شدید فوتونها در مسیر انتقال است. در فیبرهای نوری، احتمال انتقال فوتون با فاصله بهصورت نمایی کاهش مییابد و احتمال رسیدن فوتونهای حامل اطلاعات کوانتومی به مقصد بسیار کم میشود. از آنجا که تقویتکنندههای نوری کلاسیک نمیتوانند حالتهای کوانتومی را بدون تخریب بازسازی کنند (به دلیل اصل عدم تکثیر کوانتومی)، جهت غلبه بر این محدودیت از فناوری ویژهای به نام تکرارکنندههای کوانتومی (Quantum Repeaters) استفاده میشود.
تکرارکنندههای کوانتومی بهگونهای طراحی شدهاند که با استفاده از تولید، ذخیرهسازی و سوآپ درهمتنیدگی و، در برخی معماریها، پالایش یا تقطیر آن، امکان گسترش درهمتنیدگی و برقراری ارتباط کوانتومی در فواصل طولانی را فراهم کنند.
نخست، سوآپ درهمتنیدگی (Entanglement Swapping)، که در آن دو لینک کوانتومی کوتاهتر با انجام اندازهگیری بل (Bell-state measurement) روی دو سامانه میانی به هم متصل میشوند و در نتیجه درهمتنیدگی میان دو گرهی دورتر ایجاد میشود؛ بدون آنکه نیاز به انتقال مستقیم فوتون میان آنها باشد. این فرآیند بهصورت تکراری در طول مسیر انجام میشود تا درهمتنیدگی به تدریج بین نقاط بسیار دور گسترش یابد.
دوم، پالایش یا تقطیر درهمتنیدگی (Entanglement Purification or Distillation)، که جهت بهبود کیفیت لینکهای درهمتنیده استفاده میشود. در این روش، چند جفت درهمتنیده با وفاداری پایین با یکدیگر ترکیب میشوند تا تعداد کمتری جفت با وفاداری بالاتر حاصل شود. بدین ترتیب، وفاداری جفتهای درهمتنیده افزایش مییابد. از نظر تاریخی و فنی، سه نسل اصلی از تکرارکنندههای کوانتومی معرفی شدهاند که هر کدام کارایی و پیچیدگی متفاوتی دارند:
- نسل نخست: بر ایجاد و ذخیرهسازی درهمتنیدگی، سوآپ درهمتنیدگی و در بسیاری از معماریها پالایش یا تقطیر درهمتنیدگی متکی است. در این نسل، حافظههای کوانتومی برای ذخیره موقت حالتهای کوانتومی و هماهنگی عملیات در گرههای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. اگرچه این روش عملی است، اما نیازمند حافظههای کوانتومی با زمان نگهداری طولانی است و سرعت انتقال پایینتری دارد.
- نسل دوم: با استفاده از روشهای تصحیح خطای کوانتومی، خطاهای ایجادشده در فرایند انتقال و پردازش اطلاعات کوانتومی را کنترل میکند و در مقایسه با نسل نخست، وابستگی کمتری به تقطیر درهمتنیدگی دارد. در نتیجه، نرخ ارتباط افزایش یافته و پایداری سیستم بهبود پیدا میکند.
- نسل سوم: بر تصحیح خطای کوانتومی و انتقال اطلاعات کوانتومی رمزگذاریشده در طول شبکه متکی است. در این معماری، با استفاده از کدهای تصحیح خطای کوانتومی، امکان انتقال قابلاعتماد اطلاعات در فواصل طولانی فراهم میشود و در معماریهایی که از تصحیح خطای کوانتومی استفاده میکنند، نیاز به تقطیر کاهش مییابد. از نظر نظری، امکان دستیابی به نرخ ارتباط بالاتر و مقیاسپذیری بهتر را فراهم میکند.
شکل 1 شمای کلی از مفهوم معماری تکرارکنندههای کوانتومی را به تصویر کشیده است.
بهطور کلی، تکرارکنندههای کوانتومی از نظر هدف کلیِ غلبه بر محدودیتهای انتقال در فواصل طولانی، مشابه تقویتکنندههای کلاسیک هستند؛ با این تفاوت که بهجای تقویت مستقیم سیگنال، با حفظ همدوسی و بهرهگیری از فرایندهایی مانند سوآپ و در برخی معماریها تقطیر درهمتنیدگی، امکان گسترش درهمتنیدگی در فواصل طولانی را فراهم میکنند. توسعه این فناوری یکی از فناوریهای کلیدی برای غلبه بر محدودیت نرخ انتقال ناشی از کران PLOB و تحقق ارتباطات کوانتومی در مقیاس بینقارهای به شمار میرود.
شکل 1: شمای مفهومی سازوکارها و نسلهای تکرارکنندههای کوانتومی و نقش آنها در غلبه بر محدودیتهای انتقال کوانتومی در فواصل طولانی. بخش بالا: تضعیف نمایی انتقال فوتون در فیبر نوری و محدودیت بنیادی در تقویت و بازتولید حالتهای کوانتومی ناشناخته که توسط قضیهٔ عدم تکثیر کوانتومی (Quantum No-Cloning Theorem) تحمیل میشود. بخش میانی: تعویض درهمتنیدگی میان گرههای شبکه با استفاده از اندازهگیری حالت بل (Bell-State Measurement) در سمت چپ و تقطیر درهمتنیدگی جهت افزایش وفاداری درهمتنیدگی در سمت راست. بخش پایین: طبقهبندی و مقایسهٔ سه نسل تکرارکنندههای کوانتومی: نسل اول (مبتنی بر حافظه کوانتومی و تقطیر)، نسل دوم (با بهکارگیری تصحیح خطای کوانتومی و کاهش وابستگی به تقطیر) و نسل سوم (مبتنی بر انتقال اطلاعات کوانتومی کدگذاریشده، با مقیاسپذیری بهبودیافته و امکان دستیابی به نرخهایی فراتر از حد PLOB در کانالهای بدون تکرارکننده).
مبدلهای کوانتومی (Quantum Transducers)
در سامانههای کوانتومی ناهمگون، که از فناوریها و حاملهای فیزیکی متفاوتی بهره میبرند، یکی از چالشهای اساسی برقراری ارتباط و تبادل اطلاعات کوانتومی میان این سامانهها است. جهت این منظور، از دستگاههایی به نام مبدلهای کوانتومی (Quantum Transducers) استفاده میشود. وظیفهی اصلی این مبدلها، تبدیل حالت کوانتومی از یک بستر فیزیکی به بستری دیگر است، بدون آنکه اطلاعات کوانتومی ذخیرهشده در حالت از بین برود یا دچار تخریب همدوسی شود.
بهعنوان نمونه، در بسیاری از رایانههای کوانتومی ابررسانا (Superconducting Quantum Computers)، کیوبیتها در محدوده مایکروویو کنترل و خوانش میشوند. با این حال، سیگنالهای مایکروویوی در بسترهای متعارف و در دماهای عملیاتی مورد نیاز سامانههای ابررسانا، برای انتقال کوانتومی در فواصل طولانی با تلفات بالایی مواجهاند. در مقابل، فوتونهای نوری در محدودهی طولموج مخابراتی (حدود ۱۵۵۰ نانومتر) میتوانند با تلفات بسیار اندک در فیبرهای نوری حرکت کنند. در چنین حالتی، مبدلها باید بتوانند حالتهای کوانتومی میان میدانهای مایکروویو و نوری را تبدیل کنند تا ارتباط مستقیم میان پردازندههای ابررسانا و شبکههای نوری برقرار شود.
نمونهی دیگری از کاربرد مبدلها، تبدیل میان فوتونهای مرئی و فوتونهای مخابراتی است. برخی سامانههای اتمی و حالتجامد، از جمله برخی تلههای یونی و مراکز NV در الماس، دارای گذارهای نوری در محدوده مرئی یا نزدیک به آن هستند. در حالی که شبکههای ارتباطی نوری از طولموجهای مخابراتی استفاده میکنند. جهت اتصال این سامانهها به یکدیگر یا به شبکههای فیبری، مبدلهایی لازماند که بتوانند با کمترین میزان ممکن از دسترفتن اطلاعات کوانتومی و افزایش نویز، فرکانس فوتونها را از محدوده مرئی به محدوده مخابراتی و برعکس تبدیل کنند، در حالی که ویژگیهای کوانتومی حالت تا حد امکان حفظ شود.
تحقق مبدلهای کوانتومی با بازده بالا، پهنای باند مناسب و نویز بسیار پایین یکی از اهداف محوری در مهندسی شبکههای کوانتومی آینده است. فناوریهای گوناگونی جهت ساخت این مبدلها در حال بررسیاند، از جمله سامانههای اپتومکانیکی (Optomechanical Systems) که از نوسانگرهای مکانیکی جهت واسطهگری بین میدانهای مایکروویوی و نوری استفاده میکنند، و سامانههای اتمی یا فوتونیکی هیبریدی که به کمک گذارهای انرژی در اتمها یا مواد خاص، تبدیل بین طولموجها را انجام میدهند. شکل 2 نمای کلی از مفهوم مبدل کوانتومی در شبکههای کوانتومی را نشان میدهد.
در مجموع، مبدلهای کوانتومی نقش حیاتی در ایجاد سازگاری میان پلتفرمهای ناهمگون و اتصال آنها به شبکههای کوانتومی بزرگتر دارند. در معماریهای ناهمگون، این عناصر برای اتصال پلتفرمهای مختلف و تحقق یک شبکه کوانتومی مقیاسپذیر اهمیت اساسی دارند. زیرا سامانههای مختلف (نوری، ابررسانا، حالتجامد و اتمی) نمیتوانند بهطور مستقیم با یکدیگر تعامل کنند. به همین دلیل، توسعهی مبدلهای کارآمد و پایدار، یکی از ارکان اصلی معماری و گسترش زیرساختهای آیندهی ارتباطات کوانتومی به شمار میرود.
شکل 2: شمای کلی تبدیل کوانتومی برای اتصال سامانههای کوانتومی ناهمگون به شبکههای ارتباطی. مسیر بالا تبدیل سیگنالهای مایکروویو مرتبط با یک پردازنده کوانتومی ابررسانا، در محیط کرایوژنیک با دمای حدود ۱۰ میلیکلوین، به فوتونهای مخابراتی در طول موج حدود ۱۵۵۰ نانومتر را از طریق یک مبدل الکترومکانیکی/اپتومکانیکی مبتنی بر نوسانگر مکانیکی نشان میدهد. مسیر پایین تبدیل فوتونهای مرئی گسیلشده از یک گسیلنده کوانتومی مبتنی بر مرکز NV در الماس به فوتونهای مخابراتی را با استفاده از یک بلور غیرخطی مانند PPLN و فرایند تولید فرکانس تفاضلی (DFG) نمایش میدهد. در این مسیر، لیزر تحریک ۵۳۲ نانومتر جهت برانگیختن مرکز NV بهکار میرود و ۵۳۲ نانومتر بهعنوان طول موج فوتون گسیلی در نظر گرفته نمیشود. هر دو مسیر امکان اتصال سامانههای کوانتومی ناهمگون به شبکههای فیبر نوری و توسعه ارتباطات کوانتومی دوربرد را فراهم میکنند.
نهایتاً، شبکه کوانتومی را نمیتوان صرفاً مجموعهای از لینکهای کوانتومی مستقل در نظر گرفت؛ بلکه عملکرد آن حاصل تعامل هماهنگ میان حافظههای کوانتومی، تکرارکنندهها، مبدلها و سایر اجزای ارتباطی است. این اجزا امکان میدهند محدودیتهای ناشی از تلفات، فاصله، ناهمگونی پلتفرمها و زمان محدود همدوسی در سطح شبکه مدیریت شوند. با این حال، وجود این اجزا بهتنهایی برای ایجاد یک شبکه مقیاسپذیر کافی نیست و نحوه سازماندهی، ارتباط و هماهنگی آنها نیز اهمیت اساسی دارد. بنابراین، گام بعدی بررسی معماری شبکه است؛ یعنی چگونگی قرارگیری این اجزا در لایههای مختلف، نحوه مسیریابی و زمانبندی درهمتنیدگی و انتخاب توپولوژی مناسب برای گسترش شبکه از لینکهای محلی به سامانههای منطقهای، ملی و در نهایت جهانی.