فناوری کوانتومی

هرآنچه که باید درباره «انتقال داده با فناوری کوانتومی» در ایران بدانیم / چین صد میلیارد دلار و ایران یک میلیون دلار روی این فناوری سرمایه گذاری کرده اندروز ششم بهمن سومین آزمایش انتقال اطلاعات به روش کوانتومی بین برج میلاد و سازمان انرژی اتمی با حضور دکتر علی اکبر صالحی، رئیس سازمان انرژی اتمی انجام شد.به گزارش «انتخاب»؛ صالحی با بیان اینکه با این فناوری هر اطلاعاتی را می‌توان ارسال کرد، افزود: ساخت رایانه‌های کوانتومی، ساعت اتمی، تشخیص به موقع بیماری و سرطان‌ها و ماهواره و رادار‌های کوانتومی از جمله دستاورد‌های مهم این فناوری جدید است.صالحی افزود: می‌توانیم اطلاعات رمزگذاری شده را در دو نقطه دریافت کنیم؛ در تابستان ۱۴۰۰ با پهپاد و در ۱۴۰۴ با ماهواره این کار انجام خواهیم داد. فقط شش کشور در جهان به این فناوری دست یافته‌اند؛ فناوری انتقال کوانتومی کاملا امن است.اما انتقال داده با فناوری کوانتومی چیست؟ گاهی درک مفاهیم علمی برای عموم ممکن نیست. اما می توان این مفاهیم را به زبان ساده و قابل فهم برای عموم نیز توضیح توضیح داد.در زیر مفهوم انتقال داده با فناوری کوانتومی و سوالاتی مرتبط با آن به زبان ساده توضیح داده شده است.۱- انتقال داده با فناوری کوانتومی به زبان ساده و قابل درک برای عموم مردم چطور تعریف می-شود؟ فناوری‌های کوانتومی، در کنار هوش‌مصنوعی و یادگیری‌ماشینی، یکی از مهم‌ترین فناوری‌های قرن ۲۱ به شمار می‌آید که در حال ایجاد انقلاب شگرفی در علم و فناوری است. فناورهای‌های کوانتومی در حقیقت به فناوری‌های حاصل از پدیده ها و قوانین فیزیک کوانتومی، مانند برهمنهی کوانتومی و درهمتنیدگی کوانتومی، اطلاق می‌شود. قوانینی مانند برهم نهی کوانتومی، در دنیای کلاسیکی توجیهی ندارند، زیرا در دنیای کلاسیکی هر جسم فقط دارای یک مکان و یک سرعت است. اما این قاعده را نمی‌توان در مورد جهان کوانتومی به کار برد، چرا که اشیا در مقیاس بسیار کوچک، می‌توانند به طور همزمان در مکان¬های بسیاری باشند! درهمتنیدگی کوانتومی نوعی همبستگیِ رمزآلود در سطح کوانتومی است به طوریکه دو ذره درهمتنیده به طور آنی تحت تأثیر یکدیگر می‌باشند و رفتار یکی از دیگری تأثیر می‌پذیرد. برهمنهی کوانتومی و درهمتنیدگی کوانتومی دو ویژگی مهم در فناوری‌های کوانتومی به شمار می¬آیند که تاثیر بسزایی در دستیابی به حوزه¬های انتقال اطلاعات کوانتومی تا زمینه‌های تازه¬تر مانند بیولوژی کوانتومی و ترمودینامیک مقیاس نانو، داشته است.در رمزنگاری، ابتدا باید پیام به صورت الگوریتم خاصی کدگذاری شود و پس از آن برای رمزگشایی از کلید استفاده شود و این کلید باید به طور امن محافظت شود؛ لذا هدف از رمزنگاری، ساختن طرح‌ها یا پروتکل‌هایی است که به افراد این امکان را بدهد که با وجود دشمن و روی یک کانال ناامن با حفظ حریم خصوصی، داده‌هایشان را به صورت امن با هم مخابره نمایند. روش‌های کلاسیک متعددی برای این منظور استفاده می شود که امنیت این روش‌ها مستلزم استفاده از الگوریتم‌های ریاضی پیچیده و زمان بر است. البته حتی با محاسبات پیچیده در صورتی که شخص سوم بتواند به کلید دست یابد تشخیص حضور آن امکان پذیر نیست. به عبارت دیگر با پیشرفت کامپیوتر‌ها و علی الخصوص با ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی، دیگر محدودیت و مشکل زمان حل خواهد شد و بدین ترتیب حتی پیچیده‌ترین الگوریتم‌های رمز نگاری نیز با استفاده از این کامپیوتر‌ها در کسری از ثانیه رمزگشایی خواهند شد!در مقابل روش کلاسیک با ظهور نظریه اطلاعات کوانتومی که بر پایه مکانیک کوانتومی است رمزنگاری کوانتومی مطرح شد. امنیت رمزنگاری کوانتومی بر اساس اصول و قوانین کوانتومی استوار است. بهترین کاربرد رمزنگاری کوانتومی ساخت پروتکل های توزیع کلید کوانتومی برای ایجاد یک کلید مشترک میان دو نفر، بدون آنکه نفر سوم هیچ اطلاعی از کلید به دست آورد، می باشد. اساس این کار استفاده از درهمتنیدگی کوانتومی می‌باشد. به دلیل درهمتنیدگی کوانتومی، هر گونه استراق سمع توسط شخص ثالث به سادگی و سرعت قابل شناسایی است. زیرا به محض اینکه شخص ثالثی اقدام به استراق‌سمع کند درهمتنیدگی میان حالت فوتون‌های (کوانتوم نور) گیرنده و فرستنده از بین رفته و به سرعت توسط گیرنده و فرستنده با اندازه‌گیری کمیت مربوط به درهمتنیدگی که به صورت آنلاین در حال پایش است قابل تشخیص می‌باشد.در همین راستا، اخیراً و با تلاش و همت جهادی و شبانه‌روزی محققان جوان مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران که همگی از دانش آموختگان برتر دانشگاه‌های داخل کشور میباشند، آزمایش توزیع کلید کوانتومی در ۳ فاز آزمایشگاه، میان دو ساختمان به مسافت ۳۰۰ متر و اخیراً نیز میان ساختمان مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران تا تراز ۳۰۰ متری برج میلاد به مسافت ۱۶۵۰ متر نیز محقق شده است. این دستاورد به عنوان بخشی از زیرساخت مورد نیاز و گامی به سوی ماهواره کوانتومی، رادار/لیدار کوانتومی و شبکه‌های کوانتومی تلقی می‌شود.انتقال داده با فناوری کوانتومی به زبان سادهشماتیک آزمایش توزیع کلید کوانتومی مابین برج میلاد تهران در ارتفاع حدود ۳۰۰ متر و مرکز فناوری‌های کوانتومی به مسافت حدود ۱۶۵۰ متر۲- حوزه‌های کاربرد این فناوری به طور مشخص چه خواهد بود؟ یکی از مهمترین کاربرد فناوری های کوانتومی، افزایش قابل توجه سرعت محاسبات است؛ یک کامپیوتر کوانتومی، محاسباتی که برای یک کامپیوتر معمولی هزاران سال به طول می‌انجامد را تنها در چند ثانیه به اتمام می‌رساند. کاربرد مهم دیگر این فناوری، امنیت بسیار بالا در انتقال اطلاعات و همچنین هک تقریبا نامحدود سیستم‌های کلاسیکی توسط کامپیوتر‌های پر سرعت است. از جمله دیگر کاربرد‌های فناوری کوانتومی می‌توان به ساخت حسگر‌ها و ساعت‌های اتمی دقیق و ردیابی شئ، کاربرد‌های آن در علم ژنتیک و علم مواد، رادار کوانتومی و یا تشخیص سرطان و تصویربرداری کوانتومی فوق دقیق اشاره کرد.۳- در حال حاضر این فناوری در سطح جهان در چه وضعیتی قرار دارد و ما در چه مرحله‌ای قرار داریم؟ کشور‌های پیشرفته در این زمینه سرمایه گذاری بسیاری انجام داده‌اند؛ به عنوان مثال کشور چین در سال‌های اخیر مبلغی در حدود بیش از صد میلیارد دلار هزینه کرده است و نتیجه آن در مدار قرار دادن ماهواره در فضا و ارتباط کوانتومی با آن بوده است. حتی این کشور با کشور‌های اروپایی پروژه‌ی مشترکی تعریف کرده تا با استفاده از این ماهواره بین آسیا و اروپا ارتباط کوانتومی برقرار کند. به طور خلاصه حجم سرمایه‌گذاری‌های انجام شده در دنیا از مرتبه میلیارد دلار و بالاتر، در بازه‌های زمانی ۵ الی ۱۰ ساله و یا افق ۲۰۲۰ یا ۲۰۳۰ بوده است. حتی برخی شرکت‌ها مانند گوگل، IBM، و یا Alibaba نیز در همین مرتبه سرمایه گذاری کرده اند درحالیکه سرمایه گذاری ما در ایران به حدود ۱ میلیون دلار میرسد. اتحادیه اروپا، کانادا چین آمریکا سنگاپور و .. برخی کشور‌های هستند که طی دو دهه اخیر در این حوزه سرمایه گذاری کرده اند.لازم به ذکر است که برای اولین بار در منطقه آزمایش درهم‌تنیدگی، در مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران انجام شده و تکنولوژی مربوط به تولید این حالت‌ها در کشور بومی سازی گشته است و پس از تأسیس مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران این آزمایش در این مرکز نیز مجدداً انجام و بهینه گردید و از آن در مشخصه‌یابی حالات کوانتومی و همچنین برپایی آزمایشی ساده در حوزه‌ی حسگری کوانتومی برای اولین بار در ایران (یعنی آزمایش شناسایی محلول‌های مختلف DNA ماهیچه دست انسان و خرگوش در غلظت‌های مختلف ازطریق عبورسنجی کوانتومی با دقتی ۱۰ برابر بیش از روش‌های مرسوم کلاسیکی) و ... استفاده شده است. بدیهی است با وجود این فناوری و حمایت سازمان‌های مربوطه، و تشکیل کنسرسیومی از کاربر‌های مختلف می‌توان از این تکنولوژی نوظهور در حوزه‌های مختلف در کشور بهره برداری کرد. حتی با دانش به دست آمده، ارسال ماهواره‌ی کوانتومی به فضا امکان پذیر می‌باشد که در اینصورت انتقال داده به صورت امن تا مسافت حدود دوهزار کیلومتر در دسترس می‌باشد.بنابراین، با توجه به تلاش‌های ۲ دهه‌ی اخیرا که منجر به ساخت اولین کامپیوتر‌های کوانتومی توسط شرکت‌های گوگل، آی‌بی‌ام، اینتل و علی بابا شده است، پرداختن به موضوع فناوری‌های کوانتومی در کشور ضروری به نظر می‌رسد. لازم به ذکر است با داشتن کامپیوتر‌های کوانتومی حتی اطلاعات رمزشده بایگانی‌شده در صورتی که در اختیار دشمنان قرار گیرد نیز به سادگی قابل رمزگشایی و بهره‌برداری می‌باشد.مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران به عنوان اولین متولی و پیشرو، فعالیت عملیاتی خود را از سال ۱۳۹۷ آغاز کرده است و در حال حاضر برخی آزمایشگاه‌های مربوطه را در این بخش تجهیز و سامان‌دهی کرده است. افزون بر این، پروژه‌های مختلفی در هر یک از ۴ حوزه اصلی فناوری‌های کوانتومی (مترولوژی و حسگری کوانتومی؛ مخابرات کوانتومی؛ شبیه‌سازی آنالوگ و دیجیتال کوانتومی؛ رایانش و محاسبات کوانتومی) تعریف شده و در حال اجرا می‌باشد که از آن جمله می‌توان به تصویربرداری کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی در فضای آزاد و در بستر فیبر، آشکارسازی و فاصله‌سنجی کوانتومی (رادار/لیدار کوانتومی)، اندازه‌گیری کوانتومی کمیت‌های مختلف فیزیکی، ساعت اتمی، مغناطیس‌سنجی کوانتومی، نقشه‌ی کوانتومی مغز، ژیروسکوپ و مسیریاب کوانتومی، و تولید چشمه‌های درهمتنیده‌ی مجتمع در بستر موج‌بَر نیز اشاره کرد۴- دستیابی به این فناوری چه مزایای مهمی برای کشور خواهد داشت؟ با توجه به کاربرد‌های شگفت انگیز این فناوری، بهره¬مندی از آن موجب افزایش امنیت داده ها، دستیابی به سرعت محاسبات بالا، بهبود دقت دستگاه‌های اندازه گیری و سنسورها، یا تصویر برداری‌های پزشکی و در امان بودن از خطر هک شدن رمز‌ها توسط کامپیوتر کوانتومی... بهبود امنیت رمزبانک‌ها و... خواهد شد.۵- آیا این فناوری در زمینه اقتصادی هم تاثیرگذار خواهد بود؟ بله، به لحاظ انتقال تکنولوژی و نیز به لحاظ فروش دستگاه‌های تجاری در این زمینه و همچنین عدم وابستگی به خرید این تجهیزات از سایر کشورها، در زمینه اقتصادی نیز بسیار تاثیرگذار خواهد بود. علاوه بر این، سر ریز تکنولوژی حاصل از فناوری‌های کوانتومی در دیگر بخش‌ها همچون میکروالکترونیک، اپتیک و ... نیز منجر به تأثیرات اقتصادی مثبت خواهد شد.۶- آیا در صورت عدم خودکفایی در این فناوری دچار مشکلاتی همچون نیاز به واردات فناوری و خروج ارز خواهیم داشت؟ ما تازه اول راه هستیم و گام‌های نخستین را برداشته ایم در حالیکه دنیا دو دهه از ما جلوتر است، بنابراین باید با تلاش و شبکه سازی این فاصله را کاست. مبحث خودکفایی در این حوزه به شکل جدی در حال پیگیری است و همکاری با دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی شریف نیز در این زمینه ادامه دارد و مراکزی بدین منظور در این دو دانشگاه به عنوان زیر مجموعه از مرکز فناوری کوانتومی ایران در سازمان انرژی اتمی نیز تاسیس شده است. همچنین، با همکاری برخی شرکت‌های دانش بنیان و پروژه‌های دانشجویی و کسری خدمت در دانشگاه‌های تهران، شریف، تحصیلات تکمیلی زنجان، امیرکبیر و شهید بهشتی. سعی می شود بحث خودکفایی به طور جدی دنبال شود. در حال حاضر برخی از موارد ساده نیز در کشور بومی سازی شده و از نیاز به خرید خارح نمیباشد، اما عدم وابستگی به تجهیزات اصلی نیازمند همکاری دیگر بخش‌ها و شبکه‌سازی در کشور است که در دست بررسی و همکاری است. علاوه بر این، با توجه به اینکه دانشگاه اصفهان به عنوان قطب اصلی اپتیک کوانتومی در ایران شناخته میشود و اقدام به سامان‌دهی "خوشه فناوری کوانتومی در اصفهان" کرده است امید است با همکاری میان مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران و زیرمجموعه‌هایش یعنی مراکز دانشگاه تهران و شریف با خوشه فناوری کوانتومی اصفهان با محوریت دانشگاه اصفهان بتوان به رشد در زمینه فناوری کوانتومی در ایران سرعت بیشتری بخشید. البته همکاری شرکت‌های دانش‌بنیان و دیگر وزارت‌خانه‌ها، بخش‌ها و دانشگاه‌ها در این مسیر به رشد کیفیت و کمیت این حوزه در ایرن کمک می‌کند.۷- پیشتازی ایران در این حوزه در بین کشور‌های منطقه مزایای صادرات فناوری را برای ما ایجاد خواهد کرد؟ بخشی از تجهیزات در حال حاضر وارداتی هستند، اما سعی کرده ایم در قالب پروژه‌های مختلف به بومی سازی و ساخت آن‌ها بپردازیم که این امر، همکاری بخش دانشگاهی را بیشتر میطلبد. بدیهی است در صورتیکه سریع‌تر حرکت کنیم می‌توانیم با تولید و بومی سازی تجهیزات مورد استفاده در فناوری کوانتومی بازار قابل توجهی در منطقه را از آن خود کنیم تا بعد از ارتقا و برندسازی بتوان بازار‌های بزرگتر در کشور‌های دیگر را نیز تصاحب کرد که این امر در صورت برنامه‌ریزی و مدیریت درست به همراه سرمایه‌گذاری هوشمندانه چندان هم دور از ذهن نیست.