إنجاز تاريخي.. تحقق “النقل الآني” لمعلومات كمية عبر الإنترنت لأول مرة

عبر المسار التقليدي الذي تمر فيه السيارات والشاحنات الضخمة، تخيل محاولتك إرسال طرد حساس للغاية، وليكن على سبيل المثال “كرة من الزجاج”، فهذا الطرد يمكن أن يتحطم إذا اصطدم بأي شيء في الطريق.

هكذا المعلومات الكمية، فهي حساسة للغاية وأي ضوضاء أو تداخل قد يفسدها، وهي المشكلة التي نجح فريق بحثي من جامعة نورث وسترن الأميركية في حلها، وتمكنوا لأول مره من تحقيق اختراق جديد بتحقيق “نقل كمي آني” لمعلومات كمية لأكثر من 30 كيلومترا، عبر المسار التقليدي نفسه، وهو الكابل البصري الذي تمر فيه بيانات الإنترنت التقليدية، وتم الإعلان عن هذا الإنجاز في دورية “أوبتيكا”.

والمعلومات الكمية (أو البيانات الكمية)، كما يعرفها رئيس المركز المصري للفيزياء النظرية الدكتور عبد الناصر توفيق، في تصريحات للجزيرة نت، هي نوع جديد ومختلف تماما من المعلومات عن تلك التي نستخدمها في الحياة اليومية. فالمعلومات التقليدية، مثل التي تستخدم في أجهزة الكمبيوتر والهواتف، تعتمد على البتات، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات، وتأخذ إما القيمة 0 أو 1.

وفي المقابل، فإن المعلومات الكمية تعتمد على مفهوم جديد يسمى البت الكمي (الكيوبت)، والفارق الكبير هو أن البت الكمي يمكن أن يكون في حالة 0 أو 1 أو في حالة بينهما في الوقت نفسه، وهذه الحالة الخاصة تسمى التراكب الكمي.

وللتوضيح، تخيل أنك تلعب لعبة رمي قطعة نقدية، ففي المعلومات التقليدية عندما ترمي القطعة تكون النتيجة إما وجه (0) أو ظهر (1)، لكن في المعلومات الكمية فإن القطعة يمكن أن تكون في حالة “وجه وظهر في الوقت نفسه” حتى تقوم بقياسها أو مشاهدتها، وعندئذ تتحول إلى نتيجة محددة (وجه أو ظهر).

والمعلومات الكمية بهذا الشكل تتيح إمكانات جديدة تماما في مجال الحوسبة والتواصل، فمثلا في الحوسبة الكمية يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية معالجة مجموعة كبيرة من الاحتمالات دفعة واحدة بسبب خاصية التراكب الكمي، وذلك يسمح لها بحل مشاكل معقدة جدا بسرعة أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

تحدي نقل المعلومات الكمية

لكن التحدي الكبير الذي يواجه نقل هذه المعلومات هي حساسيتها لأي ضوضاء أو تداخل، لأنها تعتمد على خصائص فريدة من نوعها في فيزياء الكم.

ويقول توفيق “عندما تتشابك الجسيمات الكمية، فإن أي تغيير في حالة أحدها يؤثر مباشرة على الآخر، كما تعتمد المعلومات الكمية على تراكب الجسيمات في عدة حالات في الوقت نفسه، وأي تدخل يمكن أن يؤدي إلى فقدان هذه الحالات. ومع زيادة المسافة التي تنقل فيها المعلومات الكمية، تصبح أكثر عرضة للتغيير أو الفقدان بسبب التفاعل مع الوسط المحيط”.

وبسبب هذه الحساسية، كان من الصعب إرسال المعلومات الكمية عبر الكابلات ذاتها التي تمر فيها بيانات الإنترنت التقليدية دون أن تتأثر بالضوضاء التي تحدثها البيانات، فكان الحل الذي نجح فيه باحثون في السابق هو تجهيز كابلات خاصة بالمعلومات الكمية، لكنها كانت مكلفة للغاية، ولم يصلوا باستخدامها لتحقيق نقل لمسافات طويلة، فضلا عن أن تعميمها يحتاج إلى تعديلات واسعة في البنية التحتية”.

ويقول توفيق إن “الميزة الأساسية في الاختراق الجديد هي أن الباحثين نجحوا في نقل البيانات لمسافة طويلة (30 كيلومترا) عبر المسار التقليدي نفسه، وهو كابلات الإنترنت التقليدية. وهذا إنجاز له العديد من المزايا، أهمها أنه لم يحتج إلى تعديلات في البنية التحتية، وحقق الاستفادة من إمكانات النقل الكمي دون تحمل مزيد من التكاليف”.

تقليل مخاطر التشتت

ولحماية حالة الفوتونات التي تحمل المعلومات الكمومية الثمينة ضد تدفق الإنترنت بسرعة 400 غيغابت في الثانية، استخدم فريق الباحثين مجموعة متنوعة من التقنيات التي تعمل على تقليل مخاطر تشتت الفوتونات.

والتشتت ظاهرة تحدث عندما تتعرض الموجات الضوئية (مثل الفوتونات) إلى تغييرات غير مرغوب فيها أثناء مرورها عبر الألياف البصرية. ودرس الفريق كيف يتشتت الضوء في الألياف، ومن خلال تعديل ظروف النقل بعناية، تمكنوا من الحد من هذا التشتت، فقد نجحوا في وضع الفوتونات في “نقطة دقيقة” عبر الألياف البصرية، وهذا يعني أنهم اختاروا مكانا محددا بعناية، حيث يمكن تقليل التداخل والتشتت إلى أقل حد ممكن.

وبمحدودية سرعة الضوء فقط، يتيح “النقل الآني الكمي” طريقة جديدة فائقة السرعة وآمنة لمشاركة المعلومات. ويتحقق ذلك من خلال التشابك الكمي، إذ يصبح جسيمان مرتبطين بحيث تؤثر حالة أحدهما على حالة الآخر بشكل فوري، بغض النظر عن المسافة بينهما. ومن خلال الاستفادة من هذا التشابك، جنبًا إلى جنب مع الاتصالات الكلاسيكية، يمكن إعادة بناء الحالة الكمومية لجسيم في مكان بعيد، ونقل المعلومات بشكل فعال.

ويقول المهندس الحاسوبي في جامعة نورث وسترن بريم كومار الذي قاد الدراسة، في بيان صحفي رسمي للجامعة، “ما أنجزناه يُظهِر مسارا نحو شبكات الكم والشبكات الكلاسيكية من الجيل التالي التي تتشارك في بنية أساسية موحدة للألياف الضوئية، ويمثل خطوة هائلة نحو تحقيق رؤية طويلة الأمد لبناء بنية تحتية للاتصالات تعتمد على الخصائص الفريدة للعالم الكمي”.

ويضيف أن “نقل الحالة الكمية عبر المسافات الطويلة يثبت أن شبكات الاتصال الكمية ليست مجرد خيال علمي، بل هي حقيقة قابلة للتحقيق”.

حلول ثورية لتحديات العصر

ويمثل النقل الناجح للحالة الكمية للضوء عبر كابلات الألياف البصرية لمسافة طويلة قفزة علمية كبيرة، لأنه يثبت إمكانية توسيع نطاق الشبكات الكمية، فمع هذا الاختراق أصبح من الممكن تصور شبكات اتصالات كمية تمتد لمسافات طويلة وتوفر أمانا غير مسبوق.

والإنجاز الذي حققه كومار ورفاقه يعد بالعديد من التطبيقات في مجالات متعددة يشير إليها الدكتور توفيق، وأبرزها “الحوسبة الكمية” التي تتميز بقدرتها على معالجة البيانات بسرعة فائقة، مما يتيح حل مشكلات معقدة لا يمكن للحواسيب التقليدية التعامل معها بفعالية. وعلى سبيل المثال، يمكن للحواسيب الكمية أن تسهم في تسريع عمليات تطوير الأدوية من خلال محاكاة تفاعلات الجزيئات بدقة أعلى، فضلا عن التنبؤ بالطقس بشكل أكثر دقة عبر تحليل ملايين المتغيرات في وقت قصير.

إلى جانب ذلك، يفتح النقل الكمي للمعلومات المجال لتطبيقات مثل الأمن السيبراني والاتصالات الآمنة، عبر التشفير الكمي، إذ يمكن إرسال البيانات بطرق تجعل أي محاولة للاعتراض تُكتشف فورا، مما يوفر حماية غير مسبوقة للمعلومات الحساسة. وكذلك تعتمد الاتصالات الكمية على مبدأ التشابك الكمي لنقل البيانات بشكل آمن وفوري، مما يمهد الطريق لتطوير شبكات إنترنت كمية عالمية يصعب اختراقها باستخدام وسائل التشفير التقليدية.