ارسال البيانات بواسطة الفوتونات لايمكن فك شفرتها ( تمت على بعد 90ميلاً كتجربة )

قيد التجريب: شبكة انترنت جديدة - 30/01/2009

د. عمار سليمان علي ــ يعوّل العلماء حالياً على فيزياء الكم لتحقيق اختراقات كبرى في شبكة الانترنت, ليس فقط في مجال التشفير وزيادة السرية كما اعتقدوا في البداية, بل في مجالات أخرى كثيرة. فهاهي العاصمة النمساوية فيينا تستقبل طريقة جديدة لتصفح الانترنت، حيث شغّل العلماء ابتداء من 8 تشرين الثاني 2008 نسخة تجريبية من انترنت الكم, وهي شبكة تسمح للمستخدمين بتبادل الرسائل كرموز مشفرة غير قابلة للاختراق الفعلي, حيث ينتظر منها أن توضح كيف يمكن لقوانين فيزياء الكم أن تؤمن سرية كاملة للمعلومات (مثل البريد الالكتروني أو رصيد الحساب الجاري) وتبقيها آمنة تماماً من عيون المتلصصين والمتطفلين.
ويقر الجميع بأن شبكة فيينا هي مجرد نموذج أولي لأغراض بحثية, وليست نسخة حقيقية من الانترنت, فهي ليست سوى العمود الفقري لشبكة محدودة سوف تعمل غالباً بسرعة مودم الثمانينيات, وعلى المستخدم الراغب بالدخول إليها أن يشتري عدة باهظة الثمن, وأن يربط ليفاً ضوئياً إلى واحدة من العقد الخمسة للعمود الفقري. وعلى الرغم من أنها تستطيع نقل البيانات العادية بأمن كمي, إلا أنها لا تستطيع حتى الآن نقل معلومات الكم التي تشفر حالات الأشياء التي تخضع لقواعد الكم, ولكن العلماء متفائلون بقرب حدوث ذلك, رغم أن الفكرة برمتها استهجنت في البداية, لأن معلومات الكم مشهورة بتذبذبها: شيء يميل للحياة في حالات متعددة متراكبة (مثل الكترون يستطيع الدوران في اتجاهين بنفس الوقت, أو ذرة تستطيع أن تكون بشكل متزامن في مكانين) إلى أن يجبره التفاعل مع بقية الكون على اختيار حالة واحدة فقط.
إذن حقيقة الكم هو الحالة المتوسطة للاحتمالات المتعايشة. وبما أن أي قياس لنظام الكم سيغير حالة النظام بشكل يتعذر إلغاؤه, فإن معلومات الكم ستكون مختلفة في كل مرة تقرأ فيها, وهذا يجعل من المستحيل نسخ أو نشر أو تخزين تلك المعلومات. كما يمكن للفيزياء غير التقليدية أن تضفي على الشبكات قوى فريدة, ففي الكمبيوتر العادي كل بت bit (وحدة حاسوبية) من بياناته يأخذ القيمة واحد أو صفر, أما وحدة معلومات الكم (وحدة حاسوبية كمية) التي تسمى كيوبت qubit (اختصارQuantum bit) فتستطيع أن تأخذ كلتا القيمتين بنفس الوقت.
إذن تستطيع انترنت الكم أن تنقل بيانات وبرامج الكترونية بين كمبيوترات الكم المستقبلية التي ستتمكن من التفوق على أداء الكمبيوترات العادية, وذلك بتشغيل عمليات متعددة بنفس الوقت (تراكبsuperposition). وربما توفر الشبكة أشكالاً جديدة للتفاعل الاجتماعي, في مجال الانتخابات مثلاً, وكل ذلك بسرية مطلقة. وقد تتوصل شبكة الكم إلى أن تنقل بواسطة الأشعة أشياء مادية, حيث تنقل كل المعلومات الضرورية لإعادة تخليق الشيء, كشكله وطاقته, إلى مكان آخر. وهذا ما يتحدث عنه بتفاؤل كبير ميكائيل لوكين Mikhail Lukin الباحث في جامعة هارفارد, الذي يعتقد "أن السنوات القليلة القادمة ستشهد بناء شبكة انترنت كمية حقيقية, مختبرية على الأقل".
مفتاح الكم المتين
في أنفاق ممتدة تحت مدينة فيينا ونهر الدانوب, تطلق نبضات ضوئية على طول عشرات الكيلومترات من الألياف الضوئية العائدة إلى تكتل شركات سيمنس الهندسية الألمانية, وتتعاون أكثر من 40 جامعة وشركة ومعهد أبحاث لتؤلف تقنية مشتركة لربط خمسة أبنية لسيمنس: أربعة منها مبعثرة عبر المدينة, والخامس على بعد 85 كم في بلدة سان بيتن. وستتم الاتصالات بين بناء وبناء بغية تمرير المعلومات باستخدام أنظمة التشفير الكمي, التي استوحي معظمها من نسخة التشفير الكمي التي اقترحها عام 1991 آرتور إكيرتArtur Ekert الذي يعمل حالياً في الجامعة الوطنية في سنغافورة. ويقتضي إجراء إكيرت أن يستخدم المرسل والمتلقي, المسميان تقليدياً أليس وبوب, اتصالين أحدهما كمي والآخر تقليدي (انترنت قديم جيد أو خط هاتفي). يؤسس أليس وبوب من خلال الاتصال الكمي مفتاح تشفير مشترك, وهو سلسلة سرية من بتات (جمع بت) المعلومات التي ستستخدمها أليس لتشفير رسالتها, ويستخدمها بوب لفك شفرتها. يمكن لأليس بعد ذلك أن ترسل رسالة مشفرة إلى بوب من خلال الاتصال التقليدي, مثلاً مرفق بريد ألكتروني. ستبدو رسالة أليس, بالنسبة لشخص لا يعرف المفتاح, كسلسلة عشوائية من البتات, وحتى أكثر الكمبيوترات تطوراً لن تتمكن من فك شفرتها, ولكن بوب الذي يعرف المفتاح سوف يستطيع فك الشفرة وقراءة الرسالة.
النقطة الحاسمة في الموضوع هي المحافظة على سرية المفتاح منذ إنشائه, وهنا يستثمر إكيرت فيزياء الكم وبالتحديد الظاهرة العجيبة التي تسمى "تشابك الكم" entanglement Quantum (إذا كان لدينا شيئان فيمكن أن يكون لكل منهما حالته الخاصة, أو يمكن أن "تتشابك" حالتاهما, وهذا يعني أنهما عندما ينفصلان لن يكونا مستقلين أحدهما عن الآخر).
لنأخذ الفوتونات كمثال, فعندما نطلقها عبر ليف ضوئي ستتذبذب على الجانبين, فإذا أخذنا فوتونين معينين فمن الممكن أن يكون تذبذبهما في اتجاهين مستقلين, وهذا ما يسمى الاستقطاب الخطي, أو يحدث "تشابك" بينهما بحيث أنه إذا كان أحدهما مستقطباً عمودياً يكون الآخر مستقطباً أفقياً, والعكس بالعكس.
تعتمد طريقة إكيرت للتشفير على أداة ليزرية تطلق أزواجاً من الفوتونات المتشابكة, وترسل فوتوناً واحداً من كل زوج متشابك إلى أليس والآخر إلى بوب. وبما أن الفوتونات في كل زوج متشابك تملك استقطابات مترابطة, سيكون باستطاعة أليس وبوب تحويل المعلومات إلى مفتاح مشترك, مثلاً صفر لكل فوتون مستقطب عمودياً وواحد لكل فوتون مستقطب أفقياً.
ولكن أليس وبوب يرغبان كذلك في التأكد من أن الفوتونات التي يستخدمانها لم يعترضها أحد, وبما أن كل متجسس يعترض الفوتونات, محاولاً سرقة المفتاح, سوف يغير أو يخرب حالات الفوتونات, لأنه يستحيل قياس حالة نظام كمي دون تغييره بشكل يتعذر إلغاؤه, لذلك سيقوم أليس وبوب, عبر الاتصال الهاتفي, بإجراء مقارنة على فوتونات تجربتهما, فإذا لاحظا أية اختلافات سوف يعلمان أن أحد المتجسسين كان هناك, فيلغيان المفتاح ويبدآن مجدداً.
هناك حالياً أنظمة تشفير كمية متاحة للاستخدام التجاري, بعضها يعود لشركات مصرفية, وواحد منها استخدم في خريف 2007 في سويسرا لنقل بيانات انتخابية من مركز اقتراع الكتروني في منطقة نائية, مع ملاحظة أن تلك الروابط كانت على الأغلب من نقطة إلى نقطة وليست شبكة متعددة المستخدمين.
ولكن مع شبكة خطوط مشفرة كمياً كتلك التي بنيت في فيينا, سوف يحتاج المستخدمون فقط إلى الارتباط بالعقدة الأقرب إليهم, وعندما يريد أحدهم إرسال رسالة سرية إلى مستخدم آخر, ستنتقل الرسالة بصيغة مشفرة من المستخدم الأول إلى عقدة الدخول, وهناك تفك رموز الرسالة ومن ثم تشفر مجدداً (باستخدام مفتاح جديد) لترسل إلى العقدة التالية, حيث سيحدث نفس الأمر في كل عقدة بينية, حتى تصل الرسالة في النهاية إلى وجهتها المقصودة. وتظل السرية مضمونة ما دامت مواقع المرسل والمتلقي والعقد الوسيطة محمية من المتجسسين, كما تستخدم الشبكة بعض المهارات الرياضية التي تمكنها من ضمان السرية حتى ولو تعرضت بعض العقد للاختراق.
فقدان الفوتونات
يتطلب مفتاح التشفير المشترك بين مستخدمَين إرسال فوتونات مفردة أو مزدوجة ( برنامج إكيرت). لكن "شيئاً صغيراً كالفوتون يمكن أن يفقد أو يمتص بسهولة, حتى في ليف ضوئي عالي النوعية, حيث تفقد نصف الفوتونات كل 15 كم", كما يقول أحد علماء الفيزياء الذين ساهموا في تصميم الشبكة الكمية في فيينا وهو نوربرت لوثنهوسNorbert Lütkenhaus من جامعة واترلو الكندية. هذا الأمر يجعل إنشاء المفتاح أكثر صعوبة كلما زادت المسافة, ولكن لوثنهوس يقدر أن مسافة 25 كم تظل مناسبة لاتصال كمي جيد وفعال, أما المسافات الأبعد فتتطلب حلولاً مختلفة.
فيما يخص الاتصالات الضوئية العادية, حلت مشكلة فقدان الفوتونات بسهولة, بإضافة مكررات (أدوات تتلقى نبضات الليزر الضعيفة وتستبدلها بأخرى أقوى). لكن المكررات العادية لا تعمل في أنظمة كمية مثل الفوتونات المفردة. ويشرح لوكين الأمر قائلاً:"إذا كان لديك شيء واحد, وأرسلت فوتوناً مفرداً, فقد يفقد هذا الفوتون ولا يبقى مجال لتضخيم الإشارة, أما إذا وصل الفوتون إلى العقدة فإن قوانين فيزياء الكم تمنع تماماً نسخ حالته الكمية, لذلك سوف تفقد بعض معلومات الفوتون بشكل حتمي. وفي حالة كون الفوتون متشابكاً بفوتون آخر في مكان آخر سوف يفقد التشابك".
تبادل التشابك
وضع لوكين وشركاؤه عام2001 تصوراً نظرياً بإنشاء أزواج متشابكة من الفوتونات البعيدة بعضها عن الأخرى, واعتقدوا أن تحقيق هذه الخطة على أرض الواقع سيسمح بالاتصال الكمي المشفر لمسافات بعيدة. كما أن تشابك الفوتونات لمسافات بعيدة سيمكّن الناس من التواصل والتفاعل بطرق غير واردة في مملكة الفيزياء التقليدية, فالتشابك سيسمح بالنقل الافتراضيteleportation الكمي, وهو يعادل طريقة سحرية لنقل الحالة الكمية لشيء ما محمولة على شيء آخر قد يكون بعيداً جداً. لنقل مثلاً إن لدى أليس الفوتون X الذي ترغب في نقله افتراضياً إلى بوب, كما أن لديها الفوتون Y المتشابك مع الفوتون Z العائد لبوب. فإذا جعلت أليس كلا فوتونيها يتفاعلان, فسوف تصبح حالة X متشابكة بحالة Y, وبالتالي بحالة Z. بعد ذلك تخرب أليس الفوتونين X و Y بقياس حالتيهما, وتطلب من بوب أن يخبرها بالنتائج. وهو سيستطيع الآن, باستخدام تلك المعلومات, أن يغير حالة Z لجعلها مطابقة للحالة الأصلية, وبذلك تكون أليس قد ضحت بفوتونين من أملاكها, ولكن النتيجة هي أن لدى بوب الآن نسخة دقيقة من الفوتون الأصلي X.
وتعتمد فكرة لوكين لإيجاد تشابك بعيد المسافة على "خدعة" أخرى تسمى "تبادل التشابك". هنا يكون لدينا مصدران ينتج كل منهما أزواجاً من الفوتونات المتشابكة, بحيث أن فوتونات المصدر الأول, ولتكنAوB, ليست متشابكة مع فوتونات المصدر الثانيCوD. وفي مرحلة لاحقة يجلبBوC إلى نفس المكشاف, وهناك يتفاعلان ويخربان, فتكون النتيجة أن يصبحAوD متشابكين بالرغم من أن أحدهما لم يقترب من الآخر مطلقاً.
وهكذا يمكن لتكرار عمليات "تبادل التشابك" على طول سلسلة العقد أن يؤدي إلى أزواج من الفوتونات المتشابكة التي تكون أبعد فأبعد عن بعضها البعض. وفي النهاية تخرب كل الفوتونات, ماعدا فوتونين مفردين في النهايتين المتقابلتين للسلسلة, لينتهي بهما المطاف متشابكين.
تبدو هذه الطريقة على الورق سلسة ومضمونة النجاح, ولكن في التطبيق العملي هناك في كل مرحلة فرصة كبيرة لفقدان بعض الفوتونات, إنما إذا استطعنا بطريقة ما تخزين أزواج الفوتونات التي تشابكت بنجاح, مع الاستمرار في إنتاج أزواج أخرى, فسوف يكون ممكناً الوصول إلى تشابك بعيد المسافة بسرعة معقولة. وهنا يبرز الدور المفتاحي في شبكة الكم لذاكرة الدخول الكمية التي يقع على عاتقها مهمة حفظ الفوتونات المتشابكة.
ذاكرة الدخول الكمية RAM Quantum
يعود تاريخ ابتكار أول ذاكرة كمية ابتدائية إلى العام 2001 على يد لوكين وشركائه ومجموعة هارفارد المستقلة بقيادة لين هاوLene Hau, وكان الأساس في عملهم هو إبطاء الضوء لكي يزحف داخل سحب ذرية. بعد ذلك أنتجت ذواكر كمية أكثر تطوراً بأساليب بارعة, منها مثلاً ما قامت به مجموعة بقيادة لوكين وألكس كوزميتش Alex Kuzmichمن معهد جورجيا للتكنولوجيا في أطلنطا وجيف كيمبلJeff Kimble من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا, إذ كانوا قادرين على أخذ فوتون مقذوف من سحابة ذرية وتخزينه في سحابة ذرية أخرى. أما كريستوفر مونروChristopher Monroe وفريقه في جامعة ميريلاند في كوليج بارك فقد استطاعوا في سبتمبر 2007 تحقيق تشابك بين كيوبتين صنعا من شوارد مفردة. وفي 6 مارس 2008 نشرت مجلة الطبيعة مقالة عن ذاكرة كمية طورها فريق بقيادة كيمبل واعتبرت الأكثر تطوراً حتى اليوم, حيث قام الباحثون بالتقاط حالتي فوتونين متشابكين في سحابات ذرية وكانوا قادرين على إطلاقهما عند الحاجة, وقد لاحظوا أن الحالات الفوتونية بقيت متشابكة طيلة فترتي الأسر والإطلاق. أحد شركاء كيمبل, وهو جوليان لورات Julien Laurat الذي زامل كيمبل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأصبح اليوم في جامعة بيير وماري كوري في باريس, يلخص الأمر بقوله:"لقد وضعنا تشابكاً فوتونياً في مشكلة ومن ثم قرأناه كمبيوترياً لاستخراج المعلومات".
في أول مرحلة قام كيمبل ولورات وزملاؤهما بإطلاق فوتون واحد في كل مرة على مرآة نصف شفافة, وهنا أمام كل فوتون خياران: الانعكاس أو التسريع, أي إنه لن يكمل طريقه الخاص بعيداً, وبدلاً من ذلك سينقسم طريقه إلى اثنين (تراكب بين احتمالين). ولكن عندما يجبر الفوتون على التآثر (مكشاف مثلاً) سيظهر بكامله في أحد الموضعين أو في الآخر. وبما أن هذين القياسين حصريان بشكل تبادلي أكثر مما هما مستقلان, فيكون الممران حالتين متشابكتين.
لاحقاً اصطاد الباحثون كل فوتون من الفوتونات الافتراضية في سحابة من ذرات السيزيزم, ثم جعلوا السحب شفافة, باستخدام نبضات ليزرية, وذلك للسماح للفوتونات بدخولها, وبإطفاء الليزر عادت السحب لكمودها وحبست الفوتونات داخلها, وهنا أجبرت الفوتونات على التوقف عمودياً, لأن حالاتها الكمية أصبحت متشابكة مع الحالات الكمية للسحب, وهذا يعني أن السحب نفسها أصبحت متشابكة. وهكذا كان الفريق قادراً على تخزين معلومات الكم (أي حفظ التشابك) حتى 10 ميكروثانية. إلا أن نبضة ليزر ثانية جعلت الغاز شفافاً من جديد, مما سمح للفوتونين الافتراضيين بالهروب ومتابعة طريقيهما, وكان باستطاعة العلماء اختبار ما إذا كانت حالتا الفوتونين ما تزالان متشابكتين.
يعتبر لوكين أن هذا خطوة هامة, ويعقب لورات:"ما نفتقده اليوم هو القدرة على إحداث تشابك بين كيوبتين منفصلين بواسطة تبادل التشابك".
ويطلع علينا كوزميتش وشركاؤه بتجربة حديثة أخرى, حيث أنتجوا سحابة ذرية تقذف فوتونين في نفس اللحظة, مع أطوال أمواج تناسب كل منها مهمة مختلفة: من أجل النقل عبر ليف ضوئي والتخزين في كيوبت آخر. وقد لاحظ كوزميتش "أن الفوتونات المفردة التي تقذف من السحب الذرية تميل لأن تكون أطوال موجاتها قصيرة جداً بالنسبة للاتصالات الهاتفية الفعالة".
ووفقاً للوكين "سوف تحتاج ذاكرة الكم العملية إلى التخزين على قسم صلب. والأكثر ترشيحاً لهذا الدور هي الذرات المفردة الملوثة للماس الصناعي, كونها لا تتطلب مختبرات معقدة".
ختاماً يمكن القول إن معظم القطع اللازمة لانترنت الكم متوفرة حالياً, ولكن التحدي سيكون في جعلها تعمل معاً بشكل مناسب. وقد تصل تكلفة النموذج الأولي إلى 100 مليون دولار, مع أنه لن يكون قادراً على إرسال أكثر من كيوبت/دقيقة, وهذا أفضل المتاح حتى اليوم.
ويبقى السؤال الأهم: هل ستنجح انترنت الكم؟ وبماذا ستفيد؟ هل ستكتفي بتحقيق اتصالات آمنة, أم ستفعل يوماً أشياء كانت حتى وقت قريب تعتبر مجرد خيال علمي صرف؟.