חוקרים ממכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן פיתחו דרך חדשה ליצור זיכרון קוונטי: תוף קטן יכול לאחסן נתונים שנשלחים עם אור ברטט הקולי שלו, ולאחר מכן להעביר את הנתונים עם מקורות אור חדשים בעת הצורך שוב. התוצאות מראות שזיכרון מכני לנתונים קוונטיים יכול להיות האסטרטגיה שסוללת את הדרך לאינטרנט מאובטח במיוחד עם מהירויות מדהימות.
המחקר פורסם בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.
ממש מתחת למשרדו הישן של נילס בוהר נמצא מרתף שבו שולחנות פזורים מכוסים במראות קטנות, בלייזרים ובצבירה של כל סוגי המכשירים המחוברים באמצעות קורי חוטים וערמות סרטים. זה נראה כאילו פרויקט של ילד הלך רחוק מדי, כזה שהוריהם ניסו לשווא לגרום להם לנקות.
למרות שקשה לעין הבלתי מאומנת להבחין שהטבלאות הללו הן למעשה הבית של מערך פרויקטי מחקר מובילים בעולם, הדברים החשובים מתרחשים בתוך עולמות כה קטנים שאפילו חוקי ניוטון לא חלים. זה המקום שבו היורשים הפיזיים הקוונטיים של נילס בוהר מפתחים את הטכנולוגיה הקוונטית החדישה ביותר.
אחד מהפרויקטים האלה בולט - לפחות עבור פיזיקאים - בעובדה שגיזמו גלוי לעין בלתי מזוינת מסוגל להשיג מצבים קוונטיים. התוף הקוונטי הוא קרום קטן עשוי מחומר קרמי דמוי זכוכית עם חורים מפוזרים בדוגמה מסודרת לאורך קצוותיו.
כשהתוף מוכה באור של לייזר, הוא מתחיל לרטוט, ועושה זאת כל כך מהר וללא הפרעות שמכניקת הקוונטים נכנסת לתמונה. נכס זה כבר מזמן עורר סערה על ידי פתיחת מספר אפשרויות טכנולוגיות קוונטיות.
כעת, שיתוף פעולה בין תחומים קוונטיים שונים במכון הוכיח שהתוף יכול למלא גם תפקיד מפתח עבור רשת המחשבים הקוונטים העתידית. כמו אלכימאים מודרניים, חוקרים יצרו צורה חדשה של "זיכרון קוונטי" על ידי המרת אותות אור לתנודות קוליות.
במאמר המחקר שלהם שזה עתה פורסם, החוקרים הוכיחו שניתן לאחסן נתונים קוונטיים ממחשב קוונטי הנפלטים כאותות אור - למשל, דרך סוג כבל סיבים אופטיים שכבר משמשים לחיבורי אינטרנט מהירים - כרטט ב תוף ולאחר מכן הועבר.
ניסויים קודמים הוכיחו לחוקרים שהממברנה יכולה להישאר במצב קוונטי שביר אחרת. על בסיס זה, הם מאמינים שהתוף צריך להיות מסוגל לקלוט ולשדר נתונים קוונטיים מבלי שהוא "יתפרק", כלומר יאבד את המצב הקוונטי שלו כשהמחשבים הקוונטיים מוכנים.
"זה פותח נקודות מבט נהדרות ליום שבו מחשבים קוונטיים באמת יכולים לעשות את מה שאנחנו מצפים מהם. זיכרון קוונטי עשוי להיות בסיסי לשליחת מידע קוונטי על פני מרחקים. אז מה שפיתחנו הוא חלק מכריע בבסיס עצם האינטרנט של העתיד עם מהירות קוונטית ואבטחה קוונטית", אומר הפוסט-דוקטורט מאדס בירגארד קריסטנסן ממכון נילס בוהר, המחבר הראשי של מאמר המחקר החדש.
מהיר במיוחד, אולטרה מאובטח
כאשר מעבירים מידע בין שני מחשבים קוונטיים על פני מרחק - או בין רבים באינטרנט קוונטי - האות יטבע במהירות ברעש. כמות הרעש בכבל סיבים אופטיים גדלה באופן אקספוננציאלי ככל שהכבל ארוך יותר. בסופו של דבר, לא ניתן עוד לפענח נתונים.
האינטרנט הקלאסי ורשתות מחשבים מרכזיות אחרות פותרות את בעיית הרעש הזו על ידי הגברה של אותות בתחנות קטנות לאורך נתיבי שידור. אבל כדי שמחשבים קוונטיים יישמו שיטה אנלוגית, עליהם לתרגם תחילה את הנתונים למערכות מספרים בינאריים רגילים, כמו אלה המשמשים מחשב רגיל.
זה לא יצליח. פעולה זו תאט את הרשת ותהפוך אותה לפגיעה להתקפות סייבר, שכן הסיכויים שהגנת נתונים קלאסית תהיה יעילה בעתיד של מחשב קוונטי הוא גרוע מאוד.
"במקום זאת, אנו מקווים שהתוף הקוונטי יוכל לעמוד במשימה זו. הוא הוכיח הבטחה גדולה מכיוון שהוא מתאים להפליא לקליטה ושליחה מחדש של אותות ממחשב קוונטי. לכן, המטרה היא להרחיב את הקשר בין מחשבים קוונטיים דרך תחנות שבהן תופים קוונטיים קולטים אותות ומשדרים מחדש, ובכך להימנע מרעש תוך שמירה על נתונים במצב קוונטי", אומר קריסטנסן.
"בכך, המהירויות והיתרונות של מחשבים קוונטיים, למשל, ביחס לחישובים מורכבים מסוימים, יתפרשו על פני רשתות ואינטרנט, שכן הם יושגו על ידי ניצול מאפיינים כמו סופרפוזיציה והסתבכות שהם ייחודיים למצבים קוונטיים."
אם תצליח, התחנות יוכלו גם להרחיב חיבורים מאובטחים קוונטיים, שגם הקודים הקוונטיים שלהם יכולים להתארך על ידי התוף. האותות המאובטחים הללו יכולים להישלח למרחקים שונים - בין אם סביב רשת קוונטית או מעבר לאוקיינוס האטלנטי - באינטרנט הקוונטי של העתיד.
גמיש, פרקטי ואולי פורץ דרך כזיכרון RAM קוונטי
מחקר נערך במקום אחר לחלופה שבה מקור אור נושא נתונים מופנה למערכת אטומית ומעביר זמנית את האלקטרונים באטום, אך לשיטה יש מגבלות.
"יש גבולות למה שאתה יכול לעשות עם מערכת אטומית, מכיוון שאיננו יכולים לתכנן אטומים או את תדירות האור שהם יכולים לקיים אינטראקציה עם עצמנו. המערכת המכנית ה'גדולה' יחסית שלנו מספקת יותר גמישות. אנחנו יכולים להתעסק ולהתאים, כך שאם תגליות חדשות ישנו את כללי המשחק, יש סיכוי טוב שניתן להתאים את התוף הקוונטי", מסביר פרופסור אלברט שליסר, מחבר שותף במאמר המחקר.
"לטוב ולרע, היכולות שלנו כחוקרים הן בעיקר מה שמגדירות את הגבולות לאופן שבו הכל עובד טוב", הוא מציין.
התוף הוא הגישה האחרונה והרצינית ביותר לזיכרון קוונטי מכני מכיוון שהוא משלב מספר מאפיינים: לתוף יש אובדן אות נמוך - כלומר, עוצמת אות הנתונים נשמרת היטב. יש לו גם יתרון עצום ביכולת להתמודד עם כל תדרי האור, כולל התדר המשמש בכבלי האור בסיבים אופטיים שעליהם בנוי האינטרנט המודרני.
התוף הקוונטי גם נוח מכיוון שניתן לאחסן ולקרוא נתונים בכל עת שצריך. ו-23 אלפיות השנייה של זמן הזיכרון, שהושגו כבר על ידי חוקרים, הופכים את הסבירות הרבה יותר לכך שה- טֶכנוֹלוֹגִיָה עשוי להפוך יום אחד לאבן בניין עבור מערכות של רשתות קוונטיות כמו גם החומרה במחשבים קוונטיים.
"אנחנו יוצאים מוקדם עם המחקר הזה. מחשוב קוונטי ותקשורת עדיין בשלב מוקדם של התפתחות, אבל עם הזיכרון שהשגנו אפשר לשער שהתוף הקוונטי ישמש יום אחד כמעין זיכרון RAM קוונטי, מעין זיכרון עבודה זמני למידע קוונטי. . וזה יהיה פורץ דרך", אומר הפרופסור.