عدد جادویی برای حفظ شبکه‌های کوانتومی پیدا شد

محققان دانشگاه نورث‌وسترن راهی پیدا کرده‌اند تا شبکه‌های کوانتومی را علی‌رغم ناپایداری‌های ذاتی لینک‌های کوانتومی، فعال نگه دارند.

به گزارش ساینس دیلی، آنها با افزودن پیوند‌ها به‌صورت استراتژیک نشان داده‌اند که این شبکه‌ها می‌توانند با تعداد بسیار کمتری از پیوند‌های جدید نسبت به پیش‌بینی‌ها پایدار بمانند و این امر مدلی کارآمدتر برای ارتباطات کوانتومی ارائه می‌دهد.

شبکه‌های کوانتومی و فوتون‌های درهم‌تنیده

فوتون‌های درهم‌تنیده پتانسیل زیادی برای محاسبات و ارتباطات کوانتومی دارند، اما چالشی بزرگ نیز همراه خود دارند: این فوتون‌ها پس از استفاده ناپدید می‌شوند.

در مطالعه‌ای جدید که در ۲۳ ژانویه در Physical Review Letters منتشر شد، فیزیکدانان دانشگاه نورث‌وسترن رویکردی نوین برای حفظ ارتباط در شبکه‌های کوانتومی متغیر و غیرقابل پیش‌بینی ارائه کردند. تحقیقات آنها نشان داد که با بازسازی استراتژیک پیوند‌های از دست رفته، شبکه می‌تواند به حالتی پایدار، هرچند تغییریافته، برسد.

توازن در افزودن پیوند‌ها در شبکه‌های کوانتومی

کلید حفظ عملکرد شبکه کوانتومی، افزودن تعداد مناسب پیوند‌ها است. محققان دریافتند که افزودن تعداد زیادی پیوند منابع را تحت فشار قرار می‌دهد و سیستم را ناکارآمد می‌کند، در حالی که افزودن تعداد کم، شبکه را به بخش‌های جداگانه تقسیم کرده و از پاسخگویی به نیاز‌های کاربران بازمی‌دارد.

این یافته‌ها می‌توانند راه را برای توسعه شبکه‌های کوانتومی بهینه هموار کنند و امکان محاسبات فوق سریع و ارتباطات بسیار امن را فراهم آورند.

ایشتوان کوواچ، نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار فیزیک و نجوم در کالج هنر و علوم واینبرگ دانشگاه نورث‌وسترن، گفت: «بسیاری از پژوهشگران تلاش‌های چشمگیری برای ایجاد شبکه‌های ارتباطی کوانتومی بزرگ‌تر و بهتر در سراسر جهان انجام می‌دهند. اما همین که یک شبکه کوانتومی در دسترس کاربران قرار می‌گیرد، تخریب می‌شود. مانند عبور از یک پل و سپس سوزاندن آن پشت سر. بدون مداخله، شبکه به‌سرعت فرو می‌پاشد. برای حل این مشکل، ما مدلی ساده از کاربران ایجاد کردیم. پس از هر رویداد ارتباطی، تعداد ثابتی پیوند یا پل بین گره‌های جداشده اضافه کردیم. با افزودن تعداد کافی از پیوند‌ها پس از هر رویداد ارتباطی، اتصال شبکه را حفظ کردیم.»

چالش‌های درهم‌تنیدگی کوانتومی در ارتباطات

شبکه‌های کوانتومی با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی کار می‌کنند؛ پدیده‌ای که در آن دو ذره، بدون توجه به فاصله میان آنها، به هم مرتبط هستند. شیانگی منگ، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، در مورد درهم‌تنیدگی گفت: «درهم‌تنیدگی یک منبع جادویی و مؤثر است که به ذرات کوانتومی اجازه می‌دهد با یکدیگر صحبت کنند، کار‌های پیچیده را با هم انجام دهند و مطمئن شوند که هیچ استراق سمعی نمی‌تواند پیام‌های آنها را رهگیری کند.»

با این حال، زمانی که دو کامپیوتر با استفاده از لینک‌های درهم‌تنیده ارتباط برقرار می‌کنند، این لینک‌ها پس از ارتباط، ناپدید می‌شوند.

ایجاد شبکه‌های کوانتومی پایدار

کوواچ و تیم او برای درک بهتر رفتار شبکه‌ها در شرایط تغییر مداوم، مدلی ساده از کاربران در یک شبکه کوانتومی طراحی کردند. آنها به کاربران اجازه دادند به‌صورت تصادفی کاربران دیگر را برای ارتباط انتخاب کنند و کوتاه‌ترین مسیر ارتباطی را پیدا کردند. سپس تمامی لینک‌های موجود در آن مسیر را حذف کردند. این فرآیند به تخریب تدریجی شبکه منجر شد.

برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی از طریق مدل‌سازی، تعداد دقیق لینک‌هایی را که پس از هر ارتباط باید اضافه شوند، تعیین کردند. این تعداد دقیقاً در مرز بحرانی بین حفظ و فروپاشی شبکه قرار دارد و برابر با جذر تعداد کاربران است. به‌عنوان مثال، اگر شبکه ۱ میلیون کاربر داشته باشد، پس از هر انتقال ۱ کیوبیت اطلاعات، باید ۱۰۰۰ پیوند اضافه شود.

کوواچ می‌گوید: «طبیعی است انتظار داشته باشیم این تعداد به‌صورت خطی یا حتی درجه دوم با تعداد کاربران افزایش یابد. اما ما دریافتیم این عدد بسیار کوچک‌تر از آن چیزی است که انتظار می‌رفت. با این حال، اگر کمتر از این مقدار اضافه شود، شبکه از هم فرو می‌پاشد و ارتباط امکان‌پذیر نخواهد بود.»

این یافته‌ها می‌تواند به طراحی شبکه‌های کوانتومی بهینه و مقاوم کمک کند، جایی که لینک‌های جدید به‌طور خودکار اضافه شوند و شبکه بتواند با شکست‌ها سازگار شود.

انتهای پیام/