الشبكات الكمومية: برامج Cisco تعزز التكنولوجيا الكلاسيكية

في إطار الجهود الرامية إلى صنع حاسوب كمي عملي، يعمل الباحثون على تطوير شبكات كمومية أكبر وأفضل – شبكات ذات قدرات من شأنها أن تكمل وتعزز الحوسبة الكمومية. وبعبارة أخرى، فإن بناء شبكة كمومية فاعلة يمكنها تبادل العديد من الكيوبتات بشكل آمن، عبر مسافات طويلة، يمكن أن يكون هدفًا نهائيًا مفيدًا بعيدًا تمامًا عن سباق الكمبيوتر الكمي.

ومن هذا المنطلق، أطلقت شركة سيسكو نظامًا برمجيًا للشبكات الكمومية في الخامس والعشرين من سبتمبر الماضي. يمكن أن تساعد تقنية عملاق الشبكات في إنتاج أجهزة استشعار كمومية أكثر قوة، والتحقق الآمن من الموقع، وتقنية التصوير الكمي المعزز – لإدراج ثلاثة فقط من مجموعة من التطبيقات الناشئة غير الحاسوبية للشبكات الكمومية.

يقول رامانا كومبيلا، نائب الرئيس ورئيس قسم الأبحاث في شركة سيسكو في سان خوسيه، كاليفورنيا، إن الفريق لديه أيضًا هدف هجين في الاعتبار: الشبكات الكمومية التي يمكنها العمل مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية وشبكات الكمبيوتر التقليدية.

يقول كومبيلا: “هذا مجال رائع للغاية بالنسبة لنا، لأنه حتى الآن لم يكن لدى الحوسبة الكلاسيكية إمكانية الوصول إلى الشبكة الكمومية”. “لكن تخيل لو كان لديك إمكانية الوصول إلى شبكة كمومية، ما الذي يمكنك تمكينه فعليًا من حيث القدرات الجديدة؟” كأومبيلا لديه الإجابة على سؤاله الخاص. ويقول: “يمكننا تأمين الشبكات الكلاسيكية بمساعدة الإشارات الكمومية من خلال اكتشاف المتنصتين على اتصالات الألياف الضوئية لمسافات طويلة”.

كيف يعمل التشابك الكمي على تأمين الشبكات؟

وللقيام بذلك، يقول كومبيلا، يعتمد النظام على حقيقة أن الإشارات الكمومية المشتركة عبر شبكتها الحساسة مرتبطة ببعضها البعض عبر التشابك الكمي. ويقول: “نحن نحقن الفوتونات المتشابكة في الألياف الضوئية”. “وإذا حاول المهاجم النقر على الألياف، فسينتهي به الأمر إلى إزعاج التشابك، مما يسمح لنا باكتشافه.”

يضيف كومبيلا أن التشابك المتبادل عبر مسافات الشبكة له تطبيقات حوسبة كلاسيكية أخرى في التجارة عالية التردد والتكنولوجيا المالية، “فضلًا عن أنه ربما يمكنك قيادة مزامنة زمنية فائقة الدقة بمساعدة الشبكات القائمة على التشابك”.

تم بناء نظام الشبكات الكمومية من Cisco على شريحة شبكات كمومية عملية قدمتها الشركة في مايو، والتي تستخدم خطوط الألياف الضوئية الحالية، وتولد ما يصل إلى 200 مليون زوج فوتون متشابك في الثانية، وتعمل بأطوال موجية قياسية للاتصالات.

لكن المكون الجديد الذي طرحته شركة Cisco مؤخرًا هو البرنامج. إن المترجم الذي أطلقته الشركة الآن يمكّن المبرمج من الكتابة بلغة الكمبيوتر الكمي Qiskit المستندة إلى Python من IBM. ويهتم مترجم Cisco بتفاصيل الشبكات التقنية مثل تحسين الاتصالات بين المعالجات الكمومية وضبط استراتيجيات تصحيح الأخطاء.

يقول رضا نيجاباتي، رئيس قسم الأبحاث الكمية في شركة سيسكو: “إننا نخفي تعقيد الطبقة الفيزيائية”. “مما يسمح لمطوري الخوارزميات بالتلاعب بعدد المعالجات وكيفية توصيل المعالجات معًا لتحسين خوارزمياتهم.”

ويضيف كومبيلا: “يأخذ المترجم هذا الهدف عالي المستوى، ويقسمه، ثم يقود الجانب الشبكي من المعادلة”.

يقول هوي كوونج لو، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة تورنتو في كندا، إن شركة سيسكو تدافع عن جزء لا يحظى بالتقدير من عالم تكنولوجيا الكم الأكبر.

يقول لو: “إن الاستثمار قضية رئيسية”. “في حين يتم استثمار مليارات التمويل البحثي سنويًا في الشركات الناشئة في مجال الحوسبة الكمومية، فإن الاستثمارات في الشركات الناشئة في مجال الشبكات الكمومية تتراجع.”

ووفقاً لرونالد هانسون، أستاذ علم النانو في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا، فإن عمل سيسكو يمثل خطوة رئيسية تالية. لكنها مجرد خطوة تالية.

يقول هانسون: “إن ما تقدمه شركة Cisco الآن ليس الأول من نوعه حقًا”. “لكن حقيقة أن شركة Cisco تعمل على العديد من هذه العناصر المختلفة للشبكة الكمومية جنبًا إلى جنب مع خبرتها ونقاط قوتها في مجال الشبكات الكلاسيكية تجعل التقدم مثيرًا للاهتمام وستدفع صناعة الشبكات الكمومية ككل.”

ما الذي يتطلبه توسيع نطاق الشبكات الكمومية؟

يقول نجاباتي إن أكبر القيود على نظام سيسكو في الوقت الحاضر هو حد المسافة المادية التي يمكن أن يسافر بها فوتون واحد قبل أن تمتصه الألياف الضوئية نفسها.

يقول نيجباتي: “تسمح لنا تكنولوجيا أجهزتنا وبرامجنا… بالذهاب لمسافة تصل إلى مائة كيلومتر باستخدام شبكة عالية الجودة وعالية الأداء”.

يقول لو إن الفيزياء – ولا سيما قانون يسمى “نظرية عدم الاستنساخ”، والذي ينص على أن البتات الكمومية الفردية لا يمكن تكرارها بشكل مثالي – تجعل الشبكات الكمومية واسعة النطاق صعبة التنفيذ بشكل خاص.

يقول لو: “إن التحدي الكبير هو بناء مكررات كمومية”. “الألياف الضوئية ضائعة، وللتغلب على حد المسافة، نحتاج إلى مكررات كمومية.”

على سبيل المثال، تدرس مجموعة لو تشفير إشارة الكيوبت ليس على فوتون فردي آخر، بل على مجموعة من الفوتونات المتشابكة. IEEE الطيف تتبعت العمل الأولي لمجموعة لو على هذه الطريقة في عام 2015 والاختبار التجريبي لإثبات المبدأ في عام 2019.

من ناحية أخرى، يقول هانسون، إن صنع مكررات كمومية ليس هو السبيل الوحيد للمضي قدمًا في تكنولوجيا الشبكات الكمومية من الجيل التالي.

يقول هانسون: “إن مجرد مشاركة الفوتونات في رأينا ليس التكنولوجيا الأكثر إثارة للاهتمام، نظرًا لأن العديد من حالات الاستخدام لا تزال بعيدة المنال”. “بدلاً من ذلك، هدفنا هو خلق… تشابك عند الطلب: من خلال الجمع بين توزيع التشابك عبر القنوات الضوئية والذكريات الكمومية طويلة الأمد – وهو مخزن مؤقت من الكيوبتات المتشابكة الجاهزة للاستهلاك.”

بهذه الطريقة، يقول هانسون، يمكن تخزين التشابك الكمي مثل الطاقة في البطارية أو التيرابت على القرص الصلب، والاستفادة منه عندما يرغب المستخدمون على طرفي الشبكة في مشاركة المعلومات الكمومية.

“سيفتح التشابك المخزن نطاقًا مثيرًا للاهتمام من التطبيقات خارج نطاقه [quantum cryptography] يقول هانسون: “سيكون من المثير للاهتمام أن نرى متى ستتخذ شركة Cisco الخطوة نحو استخدام هذه التكنولوجيا لشبكاتها”.