تبادل کوانتومی شیکاگو و اولین گام‌ها به سوی تحول محاسبات و پزشکی

«خدا تاس بازی نمی‌کند» یکی از ماندگارترین جملات اینشتین بود که مخالفت وی با اصل عدم قطعیت را بطور آشکار بیان می‌نمود. علی رغم نظر وی، اکنون شاهد به وجود آمدن یکی از بزرگ‌ترین شبکه‌های جهان، برای به اشتراک‌گذاری اطلاعات کوانتومی هستیم. این شبکه که دانشگاه شیکاگو را به آزمایشگاه ملی آرگون متصل می‌کند، نسخه ابتدایی چیزی است که دانشمندان امیدوارند روزی به اینترنت آیندگان تبدیل شود. با دیپ لوک همراه باشید…

در ژوئن ۲۰۲۲ خبر توسعه‌ی یکی از بزرگ‌ترین شبکه‌های جهان توسط تبادل کوانتومی شیکاگو (Chicago Quantum Exchange)، که شامل آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی (Fermi National Accelerator Laboratory)، دانشگاه نورث وسترن (Northwestern University)، دانشگاه ایلینوی (University of Illinois) و دانشگاه ویسکانسین (University of Wisconsin) می شود، اعلام شد. شیکاگو، اربانا-شمپین و مدیسون در سال‌های اخیر با ۵۰۰ میلیون دلار سرمایه‌گذاری فدرال و ۲۰۰ میلیون دلار سرمایه ایالتی، منطقه‌ای پیشرو برای تحقیقات اطلاعات کوانتومی را تشکیل داده‌اند. این شبکه، در حال حاضر برای آزمایش مبانی اشتراک‌گذاری اطلاعات کوانتومی، تنها به روی کسب‌وکارها و محققان باز شده است.

اکنون سوال اینجاست که چرا این موضوع برای افراد عادی اهمیت دارد؟ از آنجایی که اطلاعات کوانتومی این پتانسیل را دارد که به حل مشکلات غیرقابل حل فعلی کمک کند، بطور همزمان اطلاعات خصوصی را هم تهدید و هم محافظت می‌کند و منجر به پیشرفت‌هایی در کشاورزی، پزشکی و تغییرات آب و هوایی می‌شود.

در حالی که محاسبات کلاسیک، از بیت‌های کلاسیکی صفر و یکی استفاده می‌کند، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها (qubits) مانند سکه‌هایی هستند که در هوا چرخانده می‌شوند. این بدین معناست که کیوبیت‌ها شامل حالت ۱ و صفر بطور همزمان هستند که پس از مشاهده مشخص می‌شوند. قرار گرفتن در دو یا چند حالت همزمان، برهم نهی نامیده می‌شود و یکی از پارادوکس‌های مکانیک کوانتومی است. این پارادوکس که بخاطر نحوه رفتار ذرات در سطح اتمی و زیراتمی است، یک مزیت بالقوه حیاتی است، زیرا می‌تواند به طور تصاعدی مسائل پیچیده‌تری را حل کند.

یکی دیگر از جنبه‌های کلیدی مکانیک کوانتومی، خاصیت درهم تنیدگی است. به لطف این ویژگی، کیوبیت‌های جدا شده با فواصل زیاد هنوز هم می‌توانند همبستگی داشته باشند، بنابراین اندازه‌گیری یک کیوبیت در یک مکان، ماهیت کیوبیت دیگر در فاصله بسیار دور را آشکار می‌سازد.

شبکه تازه گسترش یافته شیکاگو که با همکاری توشیبا ایجاد شده است، ذرات نور به نام فوتون را توزیع می‌کند. تلاش برای رهگیری فوتون‌ها، آن‌ها و اطلاعات موجود در آن‌ها را از بین می‌برد. در نتیجه هک کردن آن را بسیار دشوارتر می‌کند.

دیوید آوشالوم (David Awschalom)، پروفسور و مدیر تبادل کوانتومی دانشگاه شیکاگو می‌گوید:

این شبکه جدید، به محققان اجازه می‌دهد تا مرزهای آنچه را که در حال حاضر ممکن بود، پیش‌تر ببرند. با این حال، محققان باید بسیاری از مسائل عملی را قبل از امکان محاسبات کوانتومی و شبکه‌سازی در مقیاس بزرگ، حل کنند.

به عنوان مثال، محققان در آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne) در حال کار برای ایجاد یک ساختار بدیع هستند که در آن کیوبیت های قابل اعتماد ساخته شوند. یک مثال از چنین ساختاری، یک غشای الماسی با فرو رفتگی‌های کوچک برای نگهداری و پردازش اطلاعات کیوبیت است. همچنین محققان در آرگون، یک کیوبیت با انجماد نئون برای نگه داشتن یک الکترون واحد ساخته‌اند.

از آنجایی که پدیده‌های کوانتومی به شدت به هر گونه اختلالی حساس هستند، ممکن است به عنوان حسگرهای کوچک برای کاربردهای پزشکی یا سایر کاربردها نیز استفاده شوند. البته لازم است تا دوام بیشتری نیز داشته باشند.

شبکه کوانتومی در سال ۲۰۲۰ در آزمایشگاه ملی آرگون راه اندازی شد، اما اکنون تا هاید پارک (Hyde Park) گسترش یافته است. این شبکه برای استفاده توسط کسب و کارها و محققان برای آزمایش دستگاه‌های ارتباطی جدید، پروتکل‌های امنیتی و الگوریتم‌ها باز شده است. هر گونه سرمایه گذاری که به اطلاعات ایمن بستگی دارد، مانند سوابق مالی بانک‌ها و سوابق پزشکی بیمارستان از چنین سیستمی استفاده می‌کند.

رایانه‌های کوانتومی، اگرچه اکنون در حال توسعه هستند، ممکن است روزی بتوانند محاسبات بسیار پیچیده‌تری نسبت به رایانه‌های فعلی انجام دهند. محاسباتی مانند پروتئین‌های چین خورده، که می‌تواند در تولید داروهایی برای درمان بیماری‌هایی مانند آلزایمر مفید باشد. علاوه بر این محرک‌های تحقیقاتی، حوزه فیزیک کوانتومی، توسعه اقتصادی در منطقه را بهبود می‌بخشد. یک شرکت سخت افزاری به نام EeroQ در ژانویه اعلام کرد که دفتر مرکزی خود را به شیکاگو منتقل می‌کند. یک شرکت نرم افزاری محلی دیگر به نام Super.tech اخیرا خریداری شد و چندین شرکت دیگر در حال راه‌اندازی در این منطقه هستند.

از آنجایی که محاسبات کوانتومی می‌تواند برای هک کردن رمزگذاری سنتی استفاده شود، توجه قانون گذاران فدرال را نیز به خود جلب کرده است. لایحه ملی کوانتومی در سال ۲۰۱۸ توسط رئیس جمهور دونالد ترامپ برای تسریع توسعه کوانتومی برای اهداف امنیت ملی، به قانون تبدیل شد. در ماه می رئیس جمهور جو بایدن به آژانس فدرال دستور داد تا به رمزنگاری مقاوم در برابر تکنولوژی کوانتومی، در حیاتی‌ترین سیستم‌های دفاعی و اطلاعاتی خود مجهز شوند.

از قضا، مسائل اساسی ریاضی، مانند ۱۰ = ۵ + ۵، از طریق محاسبات کوانتومی تا حدودی دشوار هستند. اطلاعات کوانتومی برای کاربردهای پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرد، در حالی که محاسبات کلاسیک برای بسیاری از کاربردهای روزانه عملی خواهد بود. اینشتین، پارادوکس‌ها و عدم قطعیت‌های مکانیک کوانتومی را به تمسخر گرفت و گفت که خدا با جهان تاس بازی نمی‌کند. اما صحت نظریه‌های کوانتومی در کاربردهایی از انرژی هسته‌ای تا MRI ثابت شده است. استفان گری (Stephen Gray)، دانشمند ارشد آزمایشگاه آرگون، که روی الگوریتم‌های قابل اجرا روی رایانه‌های کوانتومی کار می‌کند، می‌گوید:

کار کوانتومی بسیار دشوار است و هیچ‌کس آن را به طور کامل درک نمی‌کند. در ۳۰ سال گذشته تحولات قابل توجهی در این زمینه رخ داده است که منجر به پیشرفت‌های عملی در دهه آینده می‌شود. برخی از دانشمندان به شوخی آن را انقلاب کوانتوم دوم می‌نامند. ما شرط می‌بندیم که در ۵ الی ۱۰ سال آینده، یک مزیت کوانتومی واقعی نسبت به محاسبات کلاسیکی، وجود خواهد داشت. اگرچه هنوز به این نقطه نرسیده‌ایم و برخی از مخالفان معتقدند که هرگز چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد، اما ما مثبت‌اندیش هستیم.

برایان دیمارکو (Brian DeMarco)، استاد فیزیک در دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین می‌گوید:

همانطور که کار اولیه روی رایانه‌های معمولی در نهایت به تلفن‌های همراه ختم شد، پیش‌بینی اینکه تحقیقات کوانتومی به کجا منتهی خواهد شد، دشوار است. بنابراین زمان هیجان انگیزی است و مهم‌ترین کاربردها هنوز کشف نشده‌اند.

• منبع : phys.org