جهان آینده در دستان تکنولوژی کوانتومی/ امنیت اطلاعات را پیش خرید کنید

به گزارش سرویس خبری بسیج علمی از لرستان؛ اصطلاح کُوانتوم  در فیزیک به کمترین مقدار ممکن از یک کمیت، مقدار پایه یا یک کوانتم آن کمیت می‌گویند.

نظريه كوانتومي

نظريه كوانتومي كه با نام هاي فيزيك كوانتومي يا مكانيك كوانتومي نيز شناخته مي شود، شاخه اي ازفيزيكاست كه رفتار و برهم كنش ماده و انرژي را در مقياس ذرات ريز اتمي و در دماي پايين مورد بررسي قرار ميدهد. مرتبه و مقدار بزرگي اين ذرات در حال بر هم كنش را با يك ثابت فيزيكي بسيار كوچك به ام ثابت پلانكمقايسه مي كنند.

كوچكترين ذرات تشكيل دهنده ي نور را كه امكان ديدن تك تك آن ها وجود ندارد، فوتون مي نامند، بنابراينبه يك ذره كوانتومي از تابش الكترومغناطيسي، فوتون مي گويند .

به كوچكترين واحد يك كميت يا كوچكترين بخش هر چيزي، كوانتوم گفته مي شود. پس يك كوانتوم از انرژي الكترومغناطيسي را يك فوتون نام گذاري مي كنند كه با سرعت نور منتشر مي شود.

در ارتباطات كوانتومي، اطلاعاتي كه بايد مخابره شود روي فوتون ها سوار مي شود و سپس در فضاي آزاد ويافيبر نوري با ضريب اتلاف اطلاعات پايين، انتقال مي يابد. در مخابرات كوانتومي از فوتون هاي در هم تنيده بهرهگرفته مي شود كه منجر به افزايش سرعت، امنيت و ظرفيت انتقال داده ها مي شود. در مخابرات كلاسيكي ما بااتلاف اطلاعات و همچنين عدم امنيت در ارتباطات مواجه مي شويم، اما در مخابرات كوانتومي مي توان بااستفاده از فوتون ها در پديده فرابرد كوانتومي، اتلاف اطلاعات و امنيت ارتباطات را بهينه سازي نماييم. درانتقال اطلاعات كوانتومي، به جاي بيت ها از كيوبيت ها استفاده مي شود .كيوبيتواحد پايه پردزاش كوانتومي ورمز نگاري كوانتومي است.

جهان آينده ، جهان فناوري هاي پيشرفته كوانتومي خواهد بود

با ورود جامعه بشري به هزاره سوم ميلادي رويكرد كشورهاي پيشرفته در مسير فناوريهاي جديددستخوشتغييرات بنيادين شده است. توسعه خيره كننده فناوريهاي نوين ضرورت بازنگري در علوم وفنون جديد رااهميتي دوچندان كرده است. ورود و ظهورايندگرگونيهاتحولاتزياديرادركشورهابهدنبال داشته به طوريكه در زمينههاي سلامت، امنيت، ارتباطات، محاسبات، علوم زيستي و ... درخصوص كاربردهاي كوآنتوم كار شدهاست. بسياري از شركتهاي توسعه يافته سرمايه گذاريهاي زيادي را درفناوريهاي جديد به ويژه كوآنتومي داشتهاند و ساخت حسگرهاي مختلفي را در برنامه توليد خود قرار داده اند. از اين رو سازمان انرژي اتمي برنامهجديدي در حوزه فناوريهاي كوآنتومي را در دستور كار خود قرارداده است.

منظور از فناوري هاي كوانتومي چيست؟

فناوري هاي كوانتومي ، فناوري هايي هستند كه از ويژگي هاي موجود در در سطح كوانتومي (مقياس ذرات بنيادي مانند الكترون ها و فوتون ها) استفاده مي كنند. فناوري هاي كوانتومي در بسياري از اكتشافات و اختراعات قرن اخير نقشي كليدي ايفاء مي كنند. از جمله حوزه هاي كاربردي فناوري كوانتومي مي توان به حوزه ارتباطات، حسگرها و زيست شناسي كوانتومي اشاره نمود.

چه فناوري هايي نسل اولي و چه فناوري هايي نسل دومي هستند؟

مي توان به محصولاتي همچون ليزرها، ساعت هاي اتمي، موقعيت ياب هاي ماهواره اي و به صورت خاص در زمينه الكترونيك، به رايانه ها، ارتباطات اينترنتي و تلفن همراه اشاره نمود. اين فناوري ها به اولين نسل فناوري كوانتومي موسوم است. نسل دوم فناوري هاي كوانتومي از پديدههاي كوانتومي همچون برهم نهي و درهمتنيدگي سرچشمه مي گيرد، كه كاربردهاي متحولكنندهاي را از محصولات زودبازده گرفته تا فناوري هايجديدي كه براي توسعه و تحقيق به بيش از چند دهه نيازمندند، در بر ميگيرد ، پديده درهم تنيدگيكوانتومي،ارتباط و برهمكنش سيستم هايي كه دور از يكديگر قرار دارند را امكان پذير مي سازد.

معرفي زيست شناسي كوانتومي

زيست شناسي كوانتومي از رشتههاي نوظهور در حوزه مطالعات مكانيك كوانتومي است كه طي دهه گذشته مطالعات وسيعي را به خود اختصاص داده است. ساختار شيميايي سامانههاي زيستي از مولكولهاي پيچيده درابعاد نانو و زيرنانومتري شكل گرفته است. همانطور كه ميدانيم فيزيك كوانتوم بيشتر با پديدههاي ميكروسكوپيهمچون الكترون، فوتون و اتمها سر و كار دارد. با توجه به نزديكي ابعاد و مقياسهاي دو علم زيستشناسي وفيزيك كوانتومي، به نظر ميرسد كه مكانيك كوانتومي در توصيف رفتار سامانههاي زيستي

بايد نقش داشته باشد.

در سالهاي اخير، برخي تحقيقات، دستآوردها و شواهد قوي و جديدي در اين حوزه وجود دارند كه نشان ميدهدقوانين مكانيك كوانتومي نقش مهمي در توصيف و توجيه برخي پديدههاي زيستي بازي ميكنند. اين موضوعاميدهايي را براي موفقيت اين رهيافت ايجاد كرده است كه در ادامه به برخي از اين پديدهها اشاره ميشود.

1. انتقال انرژي با بازدهي بالا در فرآيند فوتوسنتز: همدوسي و درهمتنيدگي

كوانتومي

2. اثرات كوانتومي در مغز

3. مسيريابي اسپيني و مغناطيسي پرندگان مهاجر و مكانيك كوانتومي

4. حس تك فوتون توسط چشم انسان

5. هك كردن زيستشناسي انسان

DNA 6. اثرات كوانتومي در

معرفي حوزه شبيه سازي

حوزه شبيه سازي كوانتومي به دو بخش شبيه سازي آزمايشگاهي و شبيه سازي كامپيوتري تقسيم مي شود.درشبيه سازي آزمايشگاهي كوانتومي، از سيستم هاي كوانتومي كه قابليت كنترل پذيري دارند براي بازتوليد رفتارسيستم هاي كوانتومي غيرقابل دسترس كه بررسي آن ها در آزمايشگاه دشوار است استفاده مي شود. معمولاشبيه سازي اين موارد براي رايانه هاي كلاسيك استاندارد ناكارآمد است. به طور كلي، شبيه-سازي كلاسيكيسيستم هاي كوانتومي نيازمند منابع زيادي است كه با بزرگ شدن اندازه سيستم افزايش پيدا مي كند.

به طور كلي هدف از شبيه سازي كوانتومي عبارت است از: شناسايي مدل هاي جالب و مهم كه براي شبيه سازي هاي كلاسيك به صورت محاسباتي دشوار هستند، توسعه ابزار اعتبارسنجي و تاييد نتايج حاصل از شبيهسازهاي كوانتومي و همچنين طراحي چيدمان هاي آزمايشي و كاربردي با اندازه كافي و در عين حال دارايتعداد درجه آزادي بالا براي كنترل پارامترهاي كوانتومي آن است

معرفي حوزه حسگرها و اندازه گيريهاي كوانتومي

امروزه با پيشرفت فناوري، امكان كنترل حالت هاي كوانتومي تك اتمي وجود دارد و اين حالت هاي كنترل شدهكوانتومي، مي تواند به عنوان حسگرهاي كوانتومي استفاده شوند. با كمك فناوري كوانتومي مي توان حسگرهاييبا بزرگي يك اتم جهت اندازه گيري هاي بسيار دقيق ، به دور از تداخل هاي ميدان هاي مغناطيسي و الكتريكيفراهم نمود. خواص اين حسگر از خواص غيركلاسيكي نور (اپتيك كوانتومي) و درهمتنيدگي كوانتومي ناشي ميشود. حالات نوري غيركلاسيكي، روش هاي تصويربرداري با وضوح فوق لعاده بالا را ممكن ساخته است كه درفناوري حسگرهاي جديد كاربرد فراوان دارند.

معرفي حوزه محاسبات كوانتومي

محاسبات كوانتومي كه از اثرات كوانتومي براي سرعت بخشيدن به محاسبات خاصي بهره ميبرد، ميتواند برايساخت كامپيوترهاي كوانتومي مورد استفاده قرار گيرد. كامپيوتر كوانتومي بر مبناي استفاده از بيش از100 دريك فضاي حالت محاسباتي با تعداد حالتهاي پايه كوانتومي تا <N) صد كيوبيت كوانتومي عمل ميكند. موضوعمحاسبات كوانتومي اولين بار با هدف شكستن كدهاي رمزنگاري شده N حد 2 پايهگذاري شد، لذا هدف اوليهخدشهدار كردن امنيت دادهها بوده است.

را (Extended Divincenzo Criteria) يك كامپيوتر كوانتومي بايد شرايط تعميم يافته ديوين چنزو برآورده كند، يعني بايد وسيلهاي باشد كه بر روي مجموعهاي از كيوبيتهاي قابل گسترش با ويژگيهاي زير عملكند:

كيوبيتها براي انجام عمليات (Long coherence time) زمان همدوسي به حد كافي زياد محاسباتي(شامل پردازش و كنترل اطلاعات تا اندازه گيري(Initialization) قابليت تنظيم كيوبيتها روي يك حالتاوليه قابليت عملكرد گيتهاي منطقي بر روي مجموعهاي از كيوبيتها

قابليت اندازهگيري حالت نهايي كيوبيتها(Scalability) قابليت افزايش تعداد كيوبيتها قابليت تبديلكيوبيتهاي ايستا به كيوبيتهاي متحرك و بالعكس براي ايجاد ارتباطات قابليت انتقال اطلاعات كد شده بر رويكيوبيتها  با ايمني بالا پردازشگرهاي كوانتومي امروزه توسط تعدادي از سيستمهاي فيزيكي قابل پيادهسازيهستند.

 پردازشگرهاي كوانتومي كه برپايه چنين كيوبيتهايي تاكنون ساخته شدهاند، قابليت ارائه كردن بسياري ازالگوريتمها وپروتكل هاي كوانتومي را دارند.

توسعه يك كامپيوتر كوانتومي بزرگ با ويژگيهاي كامل، با چالش مقياسپذيري مواجه ميشود كه بايدمتضمنيكپارچهسازي تعداد زيادي از كيوبيتها و تصحيح خطاهاي كوانتومي باشد. تلاشهاي رو به فزون پايدار درآزمايشگاههاي علمي و شركتهاي بزرگ، به وضوح نشانگر اين موضوع هستند كه محاسبات كوانتومي درمقياسهاي بزرگ بسيار چالش برانگيز، و در عينحال دستيابي به آن، هدفي بسيار ارزشمنداست.

معرفي حوزه ارتباطات امن كوانتومي

رشد و گسترش روزافزون شبكههاي كامپيوتري، خصوصاً اينترنت باعث ايجاد تغييرات گسترده در نحوه زندگي وفعاليت شغلي افراد، سازمانها و موسسات شدهاست. از اين رو امنيت اطلاعات يكي از مسائل ضروري و مهم دراين چرخه است. با اتصال شبكه داخلي سازمانها به شبكه جهاني، دادههاي سازمانها در معرض دسترسي افراد وميزبانهاي خارجي قرار ميگيرد. اطمينان از عدم دستيابي افراد غير مجاز به اطلاعات حساس از مهمترينچالشهاي امنيتي در رابطه با توزيع اطلاعات در اينترنت است. راه حلهاي مختلفي نظير محدود كردن استفاده ازاينترنت، رمزنگاري دادهها واستفاده از ابزار امنيتي براي ميزبانهاي داخلي و برقراري امنيت شبكه داخلي ارايهشدهاست. يكي از متداولترين روشهاي حفاظت اطلاعات، رمز نمودن آنها است. دستيابي به اطلاعات رمز شدهبراي افراد غير مجاز امكان پذير نبوده و صرفاً افرادي كه داراي كليد رمز ميباشند، قادر به بازنمودن رمز واستفاده از اطلاعات هستند.

رمز نمودن اطلاعات مبتني بر علوم رمز نگاري است. استفاده از علم رمز نگاري داراي يك سابقه طولاني وتاريخي ميباشد. قبل از عصر اطلاعات، بيشترين كاربران رمزنگاري اطلاعات، دولتها و مخصوصاً كاربران نظاميبودهاند. امروزه اغلب روشها و مدلهاي رمزنگاري اطلاعات در رابطه با كامپيوتر به خدمت گرفته ميشود. كشف وتشخيص اطلاعاتي كه بصورت معمولي در كامپيوترذخيره و فاقد هر گونه روش علمي رمزنگاري باشند، به راحتيو بدون نياز به تخصصي خاص انجام خواهد يافت. از اينرو رمزنگاري دادهها با توجه به پيشرفتهاي اخير تحوليافته و الگوريتمهاي نويني به همين منظور طراحي گرديده است. برخلاف رمزنگاري كلاسيك، كه امروزه برايارسال دادههاي امن از آن استفاده ميشود و امنيت آن وابسته به ميزان دشواري حل مسائل رياضي مانند تجزيهي آن به عوامل اول اعداد بسيار بزرگ ميباشد، بيشتر طرحهاي رمزنگاري كوانتومي كليدهاي رمزنگاري رااز دادهها جدا نگه ميدارند.

اروپا چه وضعيتي دارد؟

سرمايه گذاري مستمر توسط كشورهاي عضو و كميسيون اروپا در بيش از دو دهه گذشته، اروپا را در يك موقعيت توانمند قرار داده است. در 15 سال گذشته كميسيون اروپا 350 ميليون يورو در فناوري هاي كوانتومي و علوم اطلاعات كوانتومي هزينه كرده است. كسب دستاوردهايي مانند جايزه نوبل و برتري در تعداد مقالات و كيفيت آن ها علي رغم پايين بودن تعداد ثبت اختراعات، باعث شده تا بر روي تجاري سازي و توسعه كاربردهاي فناوري هاي كوانتومي تلاش شود. به منظور شتاب بخشيدن به توسعة فناوري هاي كوانتومي و

توليد محصولات تجاري براي بازارهاي عمومي و خصوصي، يك برنامة بلندمدّت، مركّب از آموزش، علم، مهندسيو نوآوري در سراسر اروپا براي شكوفايي كامل ظرفيت هاي فناوري هاي كوانتومي در نظرگرفته شده است. اينبرنامة فراگير اروپا، تيمهاي تحقيقاتي و بازيگران صنعت مربوطه را در قالب يك نقشه ي راه با مجموعه ي اهدافمشترك، در نظر مي گيرد، بهنحوي كه پژوهش هاي فناوري كوانتومي بلندمدّت، با سرمايه- گذاري هاي مكملدر برنامه هاي كوتاه مدّت، هماهنگي و تعادل داشته باشد.

ايران چه فعاليتي در اين حوزه شروع كرده است و وضعيت فعلي جمهوري اسلامي ايران چگونه است؟

نخستين دستاورد پژوهشگران ايراني در بستر فناوري كوانتوم با هدف ايجاد امكان ارتباطات رمزگذاري شده وامن، در مركز علوم و فنون ليزر ايران رونمايي شد.

با رونمايي از اين دستاورد دانشمندان هستهاي كشور و استفاده از فوتونهاي در همتنيده در فناوري كوانتومامكان ايجاد ارتباطات رمزنگاري شده فراهم شده است.

با دستيابي به اين فناوري همچنين امكان ارسال اطلاعات رمزنگاري شده و ساخت رادارهاي فوق پيشرفته و دستگاههاي مخابراتي امن فراهم ميشود

در مراسم رونمايي از اين دستاورد ملي با بيان اينكه يكي از فناوريهايي كه دنيا اخيرا به " علي اكبر صالحي " آن توجه كرده، فناوري كوانتوم است و در سالهاي 2015 و 2016 اروپاييها نقشه راه اين فناوري را تدوين كردند، خاطرنشان كرد: جمهوري اسلامي ايران نخستين كشور اسلامي است كه توانسته به اين فناوري دست يابد.

رييس سازمان انرژي اتمي ادامه داد: فناوري كوانتوم از پديدههايي است كه در سطح اتم و زيراتم اتفاق ميافتد واين پديده با برداشتهاي امروز ما از مسائل طبيعي ناسازگار است. براي مثال به طور طبيعي ما انتظار داريم اگرسنگي در چاه افتاده است، بيرون نيايد اما در حوزه كوانتوم انتظار داريم كه اين سنگ بيرون بيايد.

معاون رييس جمهوري يادآور شد: كليد ورود به اين فناوري اين است كه ذرات ريز اتمي مثل الكترونها و فوتونهارا از هم جدا ميكنيم و فاصله ذرات هر چقدر باشد، هر اتفاقي بر روي يك ذره بيافتد، ذره ديگر در همان لحظهمتوجه آن اتفاق ميشود.

صالحي گفت: بنابراين انتقال اطلاعات بين ذرات در زماني صفر اتفاق ميافتد، در صورتي كه به طور معمول اينفاصله بايد با سرعت نور رخ دهد.

به گفته اتمي براي ورود به اين حوزه بايد الكترونها و فوتونها را از يكديگر جدا كرده واز آن بهرهبرداري كنيم وكليد اين فناوري جداسازي ذرات است.

به گفته صالحي، چينيها در استفاده از اين تكنولوژي نخستين ماهواره را پرتاب كرده و توانستند در فاصله600مايلي در هم تنيدگي را انجام دهند.

رييس سازمان انرژي اتمي كاربرد ديگر اين تكنولوژي را در حوزه حسگرها عنوان كرد و اظهار داشت: هركشوريكه بتواند در زمينه اندازه گيري دقيقتر عمل كند پيشرفت بيشتري دارد. براي مثال اگر جاذبه زمين با دقتاندازه گيري شود عمليات اكتشاف راحت تر انجام مي شود.

به گفته صالحي كاربرد ديگر اين تكنولوژي در حوزه شبيه سازي است به طوري كه ميتوان اغلب پديدههاي فيزيكي را شبيهسازي كرد. وي ضمن قدرداني از متخصصان صنعت هستهاي، اظهار داشت: متخصصان سازمان توانستند نخستين آزمايشگاه در هم تنيدگي را ايجاد و فوتونها را از هم جدا كنند و جمهوري اسلامي ايران نخستين كشوري اسلامي و شايد نخستين كشور در حال توسعه است كه توانسته اين كار را انجام دهد.