دانلود پاورپوینت مبانی اینترنت کوانتومی

اینترنت کوانتومی شبکه ای است که این امکان را برای دستگاه های کوانتومی فراهم می کند که با مهار قوانین اسرار آمیز مکانیک کوانتومی به مبادله اطلاعات بپردازند. همچنین از لحاظ نظری، قابلیت هایی را فراهم می کند که تحقق آن از طریق وب امروزی چندان امکان پذیر نمی باشد. بر طبق یافته های بدست آمده، اینترنت کوانتومی قادر است حجم عظیمی از داده هایی را که در فواصل دوردست قرار دارند با سرعتی فراتر از سرعت نور منتقل کند. در اینترنت کوانتومی، ارسال کیوبیت ها از طریق یک کانال کوانتومی به جای کانال کلاسیک، در واقع به معنای اعمال نفوذ ذرات در کوچکترین مقیاس آنها – اصطلاحا “حالت های کوانتومی” است که طی دهه ها موجبات شگفتی و حیرت محققان را فراهم آورده است.

اگر چه این موضوع ممکن است در نگاه اول شبیه به یک داستان علمی تخیلی باشد، اما ساخت شبکه های کوانتومی از اهداف مهم بسیاری از کشورهای جهان به شمار می آید. اخیراً وزارت دفاع ایالات متحده (DoE) طرح منحصر به فرد و بسیار مقدماتی را در خصوص استراتژی گام به گام با هدف تحقق رویای اینترنت کوانتومی طی چند سال آتی ارائه نموده است. همچنین ایالات متحده برای ابراز علاقه مندی خود به مفهوم ارتباطات کوانتومی به اتحادیه اروپا و چین پیوسته است.

در دنیای کوانتومی، داده ها را می توان به صورت کیوبیت ها (که می تواند در دستگاه های کوانتومی نظیر یک رایانه کوانتومی یا یک پردازنده کوانتومی انجام شود) کدگذاری نمود. به بیان ساده تر، اینترنت کوانتومی شامل ارسال کیوبیت ها در شبکه ای از دستگاه های کوانتومی متعدد است که به صورت فیزیکی از یکدیگر تفکیک شده اند. لازم به ذکر است که تمامی این مزایا به واسطه ویژگی ها و قابلیت های خاص حالت های کوانتومی امکان پذیر می باشد.

در ادامه می توانید بخشی از این پاورپوینت را در قالب یک ویدئو، مشاهده نمایید، لازم به ذکر است که کل اسلایدهای این پاورپوینت، در این ویدئو قرار نگرفته و تنها تعدادی از اسلایدها به عنوان نمونه قرار داده شده اند. برای دریافت فایل پاورپوینت قابل ویرایش، می توانید اقدام به خرید این محصول از سایت نمایید.

کوانتوم چیست؟

در علم فیزیک، کوانتوم به کمترین مقدار یا مقدار پایه از یک کمیت اطلاق می شود که می تواند در تعامل با هر واحد دیگری باشد و مکانیک کوانتومی هم نحوه رفتار این واحدهای کوچک را مورد مطالعه قرار می دهد. دانشمندان دریافته اند که واحدهای کوانتومی دارای خواص بسیار بی نظیری هستند که می توانند در دستیابی به ایده اینترنت کوانتومی بسیار سودمند باشد.

قوانین فیزیک کوانتومی: قوانین فیزیک کوانتومی پایه و اساس نحوه انتقال اطلاعات در اینترنت کوانتومی می باشند. در حقیقت می توان اینگونه عنوان نمود که، آنها عجیب، غیر منتظره، و گاها ماوراء طبیعی هستند. نکته حائز اهمیت در زمینه ارتباطات کوانتومی این است که کیوبیت ها، (که قوانین اصلی مکانیک کوانتومی را مهار می کنند)، در مقایسه با بیت های کلاسیک دارای رفتار بسیار متفاوتی هستند.

تفاوت بیت کلاسیک و کیوبیت ها: یک بیت کلاسیک در حین رمزگذاری داده ها بایستی به یکی از دو حالت 0 یا 1 باشد. در عوض، کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی خاص که در دنیای کلاسیک وجود ندارد، می توانند بر روی یکدیگر قرار گرفته و به طور همزمان به صورت 0 و 1 باشند.

برهم نهی کوانتومی: برای درک اصل برهم نهی کوانتومی، در یک حوضچه دو نقطه مختلف را به طور همزمان لمس کنید. امواج از هر نقطه به سمت بیرون منتشر می شوند و در نهایت در حالت همپوشانی با یکدیگر قرار گرفته و الگوی پیچیده تری را تحت عنوان برهم نهی امواج تشکیل می دهند. به همین طریق نیز در علم کوانتوم اجسامی نظیر الکترونها و فوتونها نیز دارای خواص موجی بوده و می توانند به صورت بر هم نهی با یکدیگر ترکیب شده و حالتی که اصطلاحا ” برهم‌نهی کوانتومی” نامیده می شود را تشکیل دهند. شایان ذکر است که کیوبیت ها برای ارسال داده هایی نظیر ایمیل ها و پیام های واتس آپ قابل استفاده نیستند، اما رفتار اسرار آمیز کیوبیت ها فرصت های بیشماری را در اختیار محققان قرار می دهد.

این پاورپوینت در 40 اسلاید آماده شده و در ادامه نیز، اسلاید شماره 2 آن قرار داده شده است:

ارتباطات کوانتومی ایمن تر

امنیت کیوبیت ها یکی از مهیج ترین موضوعاتی است که محققان در حال بررسی آن هستند. زمانیکه از ارتباطات کلاسیک سخن به میان می آید، بیشتر داده ها با توزیع یک کلید مشترک بین فرستنده و گیرنده، و سپس استفاده از این کلید مشترک برای رمزگذاری پیام، به ایمنی لازم دست می یابند. سپس گیرنده می تواند از کلید برای رمزگشایی داده ها استفاده کند. امروزه امنیت بیشتر ارتباطات کلاسیک، مبتنی بر الگوریتمی برای ایجاد کلیدهایی است که نفوذ به آن برای هکرها تا حدودی با دشواری هایی همراه است، اما انجام آن غیرممکن نیست. از اینرو محققان در پی “کوانتومی سازی” این فرآیند ارتباطی هستند. این مفهوم در حوزه نوظهور امنیت سایبری تحت عنوان توزیع کلید کوانتومی (QKD) می باشد.

نحوه عملکرد QKD: نحوه عملکرد QKD به این صورت است که یکی از طرفین با رمزگذاری کلید رمزنگاری بر روی کیوبیت ها بخشی از داده های کلاسیک را رمزگذاری می کند. سپس فرستنده، کیوبیت ها را به طرف دیگر (برای اندازه گیری کیوبیت ها و دستیابی به مقادیر کلید) ارسال می کند. اندازه گیری باعث فروافت وضعیت کیوبیت می شود. اما مقداری که در طی فرآیند اندازه گیری خوانده می شود حائز اهمیت است. کیوبیت، در واقع صرفا برای انتقال مقدار کلید مورد استفاده قرار می گیرد. نکته حائز اهمیت این است که تشخیص استراق سمع شخص ثالث در حین انتقال کیوبیت ها به سهولت از طریق QKD امکانپذیر است، زیرا فرد مزاحم صرفاً با نگاه کردن به کلید می تواند باعث از بین رفتن کلید شود. در صورتیکه یک هکر در هر نقطه ای از ارسال آنها به کیوبیت ها نگاه کند، وضعیت کیوبیت ها به طور خودکار تغییر می کند. از اینرو، علائمی از استراق سمع جاسوس باقی می ماند. از اینرو رمزنگاران بر این باورند که QKD از ایمنی لازم برخوردار می باشد.

در ادامه، اسلاید شماره 14 این پاورپوینت، قرار داده شده است:

مزایای به کارگیری اینترنت کوانتومی

فناوری QKD در مراحل آغازین خود است. امروزه، روش “معمول” برای ایجاد QKD شامل ارسال کیوبیت ها به روش یک جهته به گیرنده، به واسطه کابل های فیبر نوری است. اما کابل های فیبر نوری تا حد زیادی به کاهش اثربخشی پروتکل منجر می شوند. کیوبیت ها می توانند به آسانی در یک کابل فیبر نوری ناپدید یا پراکنده شوند که به این معناست که سیگنال های کوانتومی شدیدا در معرض خطا هستند و برای طی مسافت های طولانی با چالش هایی مواجه هستند. در حقیقت آزمایش های کنونی به برد صدها کیلومتر محدود می باشند. در این میان، راهکار دیگری وجود دارد و آن پایه و اساس اینترنت کوانتومی است که متضمن استفاده از ویژگی دیگری از کوانتوم تحت عنوان درهم تنیدگی به منظور برقراری ارتباط بین دو دستگاه می باشد. زمانیکه دو کیوبیت با یکدیگر تعامل داشته و به عبارتی در هم تنیده می شوند، ویژگی های خاصی که به یکدیگر وابسته هستند را اشتراک گذاری می کنند. زمانیکه کیوبیت ها در یک وضعیت درهم تنیده هستند، هر تغییری در یکی از ذرات جفت، (حتی اگر دو ذره از لحاظ فیزیکی مجزا از یکدیگر باشند) ذره دیگر را نیز تحت تاثیر قرار می دهد. از اینرو، وضعیت کیوبیت اول از طریق بررسی رفتار همتای درهم تنیده آن قابل تشخیص است. شایان ذکر است که آلبرت انیشتین، این رفتار را “رفتار اسرار آمیز” نامیده است. درهم تنیدگی برای ارسال اطلاعات از کیوبیت به جفت درهم تنیده‌ آن استفاده می شود و در آن دیگر نیازی به ایجاد کانال فیزیکی بین مبدأ و مقصد نمی باشد.

درهم تنیدگی کوانتومی

درهم تنیدگی کوانتومی یا درهم تافتگی کوانتومی، نوعی خاصیت کوانتومی است که دو ذرّه مختلف را به یکدیگر مرتبط می کند، به گونه ای که اگر یکی از آنها اندازه گیری شوند، به‌طور خودکار و سریع از وضعیت دیگری نیز می توان مطلع شد – مهم نیست که تا چه حد از یکدیگر دور هستند. درهم تنیدگی یکی از ویژگی های اصلی مکانیک کوانتومی به شمار می آید که مکانیک کلاسیک فاقد آن می باشد. درهم تنیدگی زمانی روی می دهد که گروهی از ذرات تولید شده، دارای برهمکنش بوده یا در مجاورت فضایی (مکانی) قرار بگیرند، به طوریکه حالت کوانتومی هیچ ذرّه درون گروه به طور مستقل از حالت سایر ذرّات قابل توصیف نباشد. این وضعیت بخصوص زمانیکه ذرّات در فاصله زیاد از یکدیگر باشند نیز روی می‌دهد.

تله‌پورت (دورنوری) کوانتومی

دورنوردی یا تله پورت به معنای جابه جایی ماده بین دو نقطه بدون پیمودن متداول فضای بین دو نقطه مورد نظر می باشد و در واقع به معنای انتقال یک ماده از یک نقطه به نقطه دیگر بدون عبور از فضای فیزیکی ما بین آن ها است. این فناوری شامل تبدیل ماده به داده-نور، انتقال به مقصد و تبدیل مجدد به ماده اولیه است.

دورنوردی در حقیقت به‌ معنای عدم وجود اتصال شبکه‌ فیزیکی بین دستگاه های ارتباطی است؛ اما در دورنوردی در وهله اول، ایجاد و حفظ درهم تنیدگی ضروری است. برای ایجاد QKD از طریق درهم تنیدگی، ابتدا بایستی زیرساخت مناسب ایجاد شود تا در وهله اول جفت کیوبیت های درهم تنیده ایجاد شده و سپس بین فرستنده و گیرنده توزیع شوند. این امر منجر به “دورنوردی کوانتومی” شده و از طریق آن مبادله کلیدهای رمزنگاری امکانپذیر می شود.

پس از ایجاد کیوبیت های درهم تنیده، بایستی نیمی از جفت به گیرنده کلید ارسال شود. به طور مثال، یک کیوبیت درهم تنیده می تواند از طریق شبکه های فیبر نوری عبور کند. اما پس از حدود 60 مایل از توانایی لازم برای حفظ درهم تنیدگی برخوردار نمی باشد. در هم تنیدگی کیوبیت ها را می‌توان در فواصل زیاد از طریق ماهواره نیز حفظ نمود، اما پوشش دستگاه های کوانتومی خارج از زمین مستلزم صرف هزینه بالایی است. با این وجود برای ایجاد شبکه‌ های تله پورتی که از قابلیت اتصال مؤثر کیوبیت های سراسر جهان به یکدیگر برخوردار باشند، مسائل و دشواری های متعددی وجود دارد. با این‌ حال شبکه‌ درهم تنیده تمام این مسائل را رفع می کند؛ زیرا کیوبیت های درهم تنیده نیازی برای انتقال پیام به زیرساخت های فیزیکی ندارند.

شایان ذکر است که در زمان انتقال، کلید کوانتومی برای اشخاص ثالث نامرئی بوده و استراق سمع آن نیز ناممکن است و از این رو ارتباطی ایمن از مبدا به مقصد ایجاد می شود. این نوع زیرساخت در صنایعی که با داده های حساس سروکار دارند، نظیر بانکداری، خدمات بهداشتی یا ارتباطات هواپیما مطلوب به نظر می رسد. در ضمن دولت هایی در زمینه اطلاعات محرمانه فعالیت می کنند، اولین پذیرندگان این فناوری به شمار می آیند.

دورنوردی در فرهنگ روایی و داستانی

دورنوردی بیشتر در داستان های علمی – تخیلی متداول است. جنگ ستارگان، دروازه ستارگان و پیشتازان فضا نمونه ای از دورنوردی به شمار می آیند. همچنین این مفهوم در عقاید عامیانه نوعی توانمندی فرابشری تلقی می شده است و روایات متعددی نیز در این زمینه ذکر شده است و همچنین در برخی از مکاتب اعتقادی نظیر اسلام و بوداییسم نیز تائید شده است.

دورنوردی در فیزیک

تا پیش از کشف کوانتوم، دورنوردی از دیدگاه فیزیک امری غیرمنطقی و خرافی تلقی می‌شد. با این وجود سال ها به طول انجامید تا پس از کشف فوتون و خاصیت دوگانه موجی – ذره‌ای نور الکترومغناطیس، (اصل دوبروی)، وجود دورنوردی در ذرات بنیادین تائید شود. این اکتشافات نقطه شروع تحقیقات در این زمینه بوده است و در حال حاضر مبحث دورنوردی در بسیاری از گروه های فیزیک کوانتوم و ذرات بنیادین نیز مورد مطالعه و بررسی قرار می گیرد.

مثالی از دورنوردی اتم‌ها

در ماه مه 2014، پژوهشگران دانشگاه فناوری دلفت هلند برای اولین بار موفق به دورنوردی اتم ها بین دو نقطه در فاصله ۳ متری از یکدیگر شدند که می‌تواند به معنای امکانپذیری دوربری انسان در آینده باشد. در این پژوهش، آنها اطلاعات رمزگذاری شده به ذرات زیراتمی را بین دو نقطه در فاصله 3 متری از یکدیگر با دقت 100 % منتقل کردند؛ همچنین اطلاعات به آسانی از یک سمت به سمت دیگر منتقل شدند و هیچ عاملی نتوانست باعث توقف این فرایند شود. این دستاورد، نقطه شروعی برای توسعه شبکه های شبه اینترنت بین رایانه های کوانتومی فوق سریع به شمار می آید.

در ادامه، اسلاید شماره 31 این پاورپوینت قرار داده شده است:

ویژگی های منحصربه فرد کیوبیت ها

کیوبیت ها علاوه بر حل مشکل محدودیت های فیزیکی، دارای ویژگی های منحصر به فرد دیگری نیز هستند. در شرایطی که یک بیت معمولی در دنیای محاسبات امروزی تنها می تواند دارای دو حالت روشن یا خاموش باشد، در نقطه مقابل یک کیوبیت در یک لحظه می تواند، روشن، خاموش و چیزی بین این دو حالت باشد. همچنین، ذرات می توانند از طریق درهم تنیدگی های کوانتومی به یک دیگر متصل شوند. به‌ عنوان مثال، در دنیای کوانتومی در صورتیکه یک ذره در جهت خلاف حرکت عقربه ساعت به چرخش درآید،می توان اطمینان حاصل نمود که ذره دوم در جهت حرکت عقربه ساعت می‌چرخد، حتی اگر فاصله بین آن‌ها چندان محسوس نباشد.

در حال حاضر دانشمندان معتقدند که درهم تنیدگی های کوانتومی شدیدا ضعیف و شکننده هستند. از نظر امنیتی این مسئله در زمینه اینترنت کوانتومی نوعی مشکل تلقی نمی شود، زیرا هرگونه تداخل نظیر تلاش برای هک کردن را مشخص می کند و کارشناسان سریعا از این مسئله آگاه می شوند. با این‌وجود، حالت فوق در زمینه ارتباطات چندان مناسب تلقی نمی شود، زیرا در ایجاد ارتباط نوعی ناپایداری به وجود می آید. هم اکنون برای تغییر حالت یک ذره بدون از بین رفتن درهم تنیدگی راهی وجود ندارد.

مزیت اینترنت کوانتومی

مهم‌ترین مزیت اینترنت کوانتومی امنیت است. کارشناسان دانشکده مهندسی هاروارد معتقدند  که اینترنت کوانتومی غیرقابل هک است. در حقیقت به‌جای محاسبات ریاضی که ممکن است دارای معایب متعددی باشند و منجر به نفوذ هکرها شوند، یک هکر برای هک اینترنت کوانتومی بایستی راهی را برای شکستن قوانین فیزیک یا مکانیک کوانتومی بیابد تا بتواند به داده های یک ارتباط کوانتومی دست یابد. اگر هکری یک کیوبیت در حال انتقال را رهگیری کند، در این صورت می تواند وضعیت کیوبیت را تغییر دهد، اما با اینوجود همچنان قادر به جمع‌آوری اطلاعات نمی باشد. همچنین در زمان هک، دو طرف کانال ارتباطی سریعا از این مسئله مطلع می شوند و تلاش ها بی نتیجه باقی می مانند.

موسسه تحقیقاتی تودلف معتقد است که با گسترش و پیاده‌سازی اینترنت کوانتومی، مکانیزم موقعیت‌یاب جهانی بهتر، ساعت‌های کوانتومی دقیق‌تر، ارتباطات پایدارتر و قابلیت های امنیتی قدرتمند و قابل اطمینان تری در اختیار بشر قرار خواهد گرفت و تمامی این موارد به لطف پیاده سازی اینترنت کوانتومی محقق خواهد شد.