الترابط الكمي في الإنترنت الكمية Quantum Entanglement

الترابط الكمي في الإنترنت الكمية Quantum Entanglement

أ.د. ناصر بن صالح الزايد

nalzayed@ksu.edu.sa

هناك توجه واضح في الفترة الأخيرة إلى محاولة اختبار إمكانية استخدام مبدأ الترابط الكمي Quantum Entanglement [1] في الإنترنت الكمية خاصة في مسألة التشفير Encryption ، يتضح هذا من التجربة التي قام بها كل من الصين والنمسا في العام 2018 باستخدام القمر الصناعي (الساتل)، وتم تكرارها بصورة أخرى لاحقا في نفس العام من قبل فريق آخر، وأخيرا وفي بداية العام 2021 تم تكرارها بطريقة مختلفة باستخدام الدرونات كما سوف يتم توضيح كل ذلك لاحقا.

إننا لن نفهم تلك التجارب إلا بفهم مبدأ الترابط الكمي أولا. وبالمناسبة فقد وجدت بعض المواقع العربية تسميه: التشابك الكمي، وفي رأيي أن هذه الترجمة غير موفقة، لأن التشابك بالعربية له دلالات مختلفة. وسوف يتضح ذلك في ثنايا هذا الموضوع.

كعادتي سوف أعتبر ان معظم القراء لديهم فقط القدرة المنطقية والخلفية المبدئية لفهم الموضوع. تصور أنك طلبت من المطعم وجبتين واحدة دجاج والأخرى لحم. فوضعهما في كرتونين متشابهين تماما. عندما وصلت البيت، لم تعلم أيهما الدجاج وأيهما اللحم؟ ولكن عندما فتحت أحدهما فوجدته دجاجا، تأكد لك أن الكرتون المتبقي هو لحم. تخيل أن الكرتون الثاني لم تأخذه معك إلى المنزل بل أعطيته، أو سلمه نفس المطعم، بشكل عفوي إلى شخص آخر في منزل آخر، فأنت الآن واثق بنسبة 100% أن ذلك الشخص الآخر قد حصل على وجبة لحم. هذا ببساطة هو الترابط بين هذين الزوجين. عندما نطبق هذه الصورة على الجسيمات الكمية (إلكترونات أو فوتونات مثلا) فيصبح لدينا: مبدأ الترابط الكمي.

للتوضيح أكثر: تصور أن لدينا جهازا يمكنه إطلاق إلكترونين في الوقت نفسه، كل الكرتون في اتجاه مختلف، بحيث يكون لدى الإلكترون الأول لف مغزلي إلى أعلى ↑­ والثاني إلى أسفل ↓ . عندما يصل الإلكترون الأول إلى هدفه الذي يقوم بقياس لفه فيجده إلى أعلى فيكون واثقا عند ذلك أن الإلكترون الآخر مهما ذهب بعيدا سيكون لفه إلى أسفل، أي وصلته معلومة مؤكد فوريا بغض النظر عن المسافة بينهما. يعبر العلماء عن هذا الوضع بأن الإلكترونين لديهما دالة موجية واحدة مهما تباعدا عن بعضهما مكانيا.

إذن نحن نبحث عن سمة كمية معينة يحافظ عليها الجسيم، ويمكن أن تكون لها حالتان، أعلى أو أسفل، رأسي أو أفقي، وهكذا. بالنسبة للفوتونات، هي عبارة عن موجات، والموجة لها سمة الاستقطاب، والاستقطاب يمكن أن يكون رأسيا، أو أفقيا، أو غير ذلك. إذن في تجربة الإلكترونات السابقة، يمكننا استبدال الإلكترونين بفوتونين لهما استقطابية مختلفة رأسية أو أفقية. وهذه هي فكرة الترابط الكمي المستخدمة في الحوسبة الكمية بالضبط في ناحية التشفير كما سوف نحاول توضيحه من خلال حديثنا عن التجارب العلمية التي تمت في هذا الخصوص.

الاستقطاب لموجة الفوتون قد يكون أفقيا أو عموديا (رأسيا)

أيضا يلزمنا أن نعرف قبل الدخول في الموضوع ما يسمى بلغة الحواسيب: البت Bit[2] وهي طريقة تخزين وتمثيل البيانات. باختصار يستخدم الصفر ورقم 1 لهذا الغرض. مثلا: 1001 هي عبارة عن العدد 9. بلغة الحواسيب التقليدية 1 تعني قيمة الفولتية 5، و 0 تعني فولتية 0. في الحوسبة الكمية لا تختلف الصورة إلا باستبدال الفولتية بصفة أخرى، غالبا هي صفة الإلكترون وخاصة في لفه المغزلي: مثلا لف إلى أعلى يقابل 1 وإلى أسفل يقابل 0. البت عندما تكون على أسس كمية تسمى كيوبت qubit. ضع في بالك فيما يلي أن بت أو كيوبت تعني (معلومة).

وأخيرا يلزمنا أن نعلم ما المقصود بالتشفير [3]؟ إذا أرسلت شخصا معه حقيبة تفتح بالأرقام، إلى شخص آخر، فإنه لن يتمكن من فتحها إلا بمعرفة الرقم. هذا هو التشفير بالضبط. هل الرقم يسهل تخمينه؟ إذن التشفير ليس بالقوة المطلوبة؟ معرفة الرقم تعني أن الشخص الآخر لديه مفتاح التشفير، محاولة فتح الشنطة بالتخمين يسمى (التهكير). هناك أنواع مختلفة من التشفير، يتميز بعضها بالقوة أكثر من الآخر. عندما تقوم بتركيب وثيقة SSL على موقعك فأنت تشفر بيانات الموقع قبل انتقالها للمتصفح بحيث لا يعرفها إلا من لديه المفتاح (عن طريق المتصفح).

خطوات عمل مفتاح التشفير الكمي (مختلف جوهريا عن التشفير بالترابط الكمي):

أولا: يتم تركيب فلتر لدى المصدر بحيث يمكنه إطلاق الفوتونات عند استقطابات مختلفة بشكل عشوائي، ولكن مرصود.

ثانيا: يتم ترميز الفوتونات بحيث أن الفوتون المستقطب رأسيا يقابل 1، وافقيا يقابل 0، عند 45 درجة يمين أيضا 1، و 45 درجة يسار أيضا 0 وهكذا.

ثالثا: يتم إرسال عدد من تلك الفوتونات عن طريق الألياف البصرية أو الجو كما سنرى.

رابعا: يقوم المستقبل بتلقي تلك الفوتونات ويقيس حالة الاستقطاب لديها، ويسجلها بالتتابع كأرقام 0 أو 1.

خامسا: يتشكل لدى المستقبل معلومة متكاملة عن جميع الفوتونات المرسلة، أي تسلسل البتات الناتجة عن قراءة استقطابها.

سادسا: يقوم بإرسال النتيجة فوريا إلى المرسل الذي يفحص تلك المعلومة، فإن تطابقت مع ما لديه، أرسل إلى المستقبل بالمصادقة على فتح الملف.

هذه هي طريقة التشفير الكمي، ليس لها من اسمها نصيب سوى أن الفوتونات هي جسيمات كمية، تحترم الحالة الموجية للجسيمات الكمية.

في البحث الذي نحن بصدده، ندرس التشفير بالترابط الكمي وهو أرقى كثيرا مما سبق وأكثر عمقا من الناحية الكمية، فكيف يتم؟

أولا: يتم تركيب نظام مستقل يمكنه إرسال فوتونات بصورة أزواج مرتبطة كميا كما تم شرحه، بحيث يتجه أحدها إلى مصدر المعلومة والثاني إلى مستقبل المعلومة. يجوز أن يكون هذا النظام لدى نفس المرسل، ويمكن أن يكون على سطح الأرض أو مركبا على درون أو على قمر صناعي.

ثانيا: يتم تركيب فلتر لدى كل من المصدر والمستقبل بحيث يمكن قراءة الاستقطابات لتلك الفوتونات وتحويلها إلى أرقام 0 و 1 (بتات)

ثالثا: مبدأ الترابط الكمي يحتم أن الأرقام التي سوف تتجمع لدى المستقبل هي قطعا عكس الأرقام التي سوف تتجمع لدى المرسل، ولا داع لإرسال رسالة للتأكد كما في (سادسا) أعلاه لأن المرسل قد وصلته المعلومة من النظام المستقل في نفس الوقت.

رابعا: طالما تحقق الشرط في ثالثا، فإن المستقبل سيتمكن فوريا من فتح الملف والحصول على الحق في فتح الوثيقة أو قراءة البيانات.

إن موثوقية معلوماتنا الكمية حول الترابط الكمي، وكون الفوتونات تحافظ على علاقة الترابط مهما بعدت المسافات، جعلنا نثق بهذه الطريقة للتشفير، وهي من الناحية العلمية أرقى طريقة عرفها الإنسان حتى الآن وأقواها على الأطلاق، وهي إحدى مميزات ميكانيكا الكم العملاقة التي تنفرد بها عن ما عداها.

تخيل أن المسافة بين المستقبل والمرسل هي مليار سنة ضوئية، في حالة التشفير الكمي، سوف يلزم ثلاث مليارات سنة لوصول المعلومة: مليار لإرسال المفتاح ومليار لإعادته للمرسل، ومليار لإرسال المصادقة. يا بلاش؟ أما في حالة التشفير بالترابط الكمي، فإن المرسل يثق بالمستقبل فوريا ولا داعي للتراسل للبحث عن المصادقة، وهذا هو السبب أن أينشتاين لم تعجبه الفكرة لأنها تتصادم مع نظريته للنسبية العامة التي تحتم وجود مليار سنة لتحرك المعلومة بسرعة الضوء كحد أقصى.

ما لفرق الجوهري بين طريقة التشفير الكمي أو باستخدام الترابط الكمي من جهة وطريقة التشفير المستخدمة حاليا من جهة ثانية؟ هناك فرق مهم جدا وهو أن الهاكر لو اعترض البيانات المشفرة تقليديا، وتمكن من اعتراض عمليات بروتوكولات المصادقة، أي حصل على المفتاح، فإنه سوف يتمكن من قراءة البيانات دون علم لا من قبل المرسل ولا من قبل المستقبل. أما في حالة التشفير الكمي بنوعيه والذي يعتمد على أرسال عدد معلوم من الفوتونات التي يتوجب وصولها بالكامل إلى الطرف الآخر، فلو تم اعتراض تلك الفوتونات من الهاكر فسوف يعرف مصدرها مباشرة أنها فقدت لأنها سوف تستلم من قبل الهاكر ويحرم المستقبل منها. هذه النقطة هي من أهم جوانب قوة التشفير الكمي بنوعيه.

تجربة اختبار إمكانية تطبيق مبدأ الترابط الكمي عن طريق الدرون:

في منتصف شهر يناير هذه السنة (2021) [4]، تم نشر بحث حول استخدام الدرونات في تجربة الترابط وذلك من قبل فريق من جامعة نانجنج الصينية. إن السبب في ذلك يعود أساسا إلى أن استخدام الألياف البصرية في نقل الفوتونات المرتبطة كميا يؤدي أحيانا إلى ضياع جزء منها عن طريق التشتت، وكلما كانت تلك الألياف أطول كان عدد الفوتونات المفقودة أكبر. ولكن ما زالت البحوث نشطة في استخدام التشفير في بيانات الألياف على أية حال.

لجأ الباحثون إلى استخدام طريقة مبتكرة للتخلص من فقد الفوتونات في الألياف البصرية، حيث أرسلوا فوتوناتهم عن طريق الجو. ولتحقيق هذا الهدف، واضعين في حسباننا أن الغرض هو إيصال فوتونين إلى مكانين مختلفين تفصلهما مسافة كبيرة، بحيث يكون هذان الفوتونان (أو قل هذا الزوج الفوتوني) مرتبط كميا، لتحقيق الهدف استخدموا درونين تفصلهما مسافة 200 م، كل درون مرتبط بمحطة أرضية، ولنقل محطة أ ومحطة ب تبعد عنه بمسافة 400 م بحيث تصبح المسافة الفعلية بين المحطات هي 1000 م (1 كم). إن استخدام زوج من الدرونات هو فقط لزيادة المسافة بين المحطات الأرضية وإلا فيكفي درون واحد، حيث استفيد من الدرون الثاني كمقوي (إن صح التعبير) للدرون الأول. وحتى نفهم ذلك جيدا، هناك مشكلة تتعلق بالفوتون المرسل حيث إنه – كما هو معروف – يتحرك بصورة موجية، وبالتالي فتؤدي ظاهرة الحيود إلى اتساع الموجة مع المسافة. من شروط هذه التجربة أن لا تتسع الموجة بأكثر من 26 مم، وهي تمثل قطر الفتحة المستقبلة للموجة في المحطة الأرضية. بالنسبة للدرون الأول (على اليسار) والمحطة الأولى (أ) على اليسار تسمح المسافة بالمحافظة على هذا الشرط. لكن لو أرسل نفس الدرون فوتونه الآخر للمحطة (ب) مباشرة، فإن الشرط لن يتحقق بسبب طول المسافة، فتم اللجوء للدرون الثاني لاستقبال هذا الفتون أولا، حيث يعيد موجته لنفس سعة الانطلاق، ومن ثم يعيد إرساله لتلك المحطة. لعلنا أدركنا مباشرة أن إنشاء شبكة إنترنت كمية قد تعتمد على عدد كبير من الدرونات موزعة على مسافات معينة، وهذا أمر تحت الدراسة حاليا من قبل نفس الفريق.

يقوم الدرون الأول بإرسال زوج من الفوتونات مرتبطين كميا عن طريق خاصية الاستقطاب، هما عبارة عن فوتونين لأشعة تحت الحمراء. يرسل الأول باتجاه المحطة (أ) في حين يرسل الآخر إلى المحطة (ب) مرورا بالدرون الثاني. لدى كل محطة جهاز قادر على استقبال فوتون واحد فقط وتمييزه [*].

نجحت المحطة اليسرى (أ) في استقبال 25% من الفوتونات المرسلة إليها، في حين أن المحطة الثانية (ب) تمكنت من استقبال 4% فقط من نصيبها من الفوتونات بنجاح. ولكن هذا على مستوى التجربة يعد نجاحا لا يستهان به. والمهم فعليا هو أن الفوتونات المستلمة، بغض النظر عن عددها، قد تم فحصها فوجد أنها حافظت على الترابط الكمي بالرغم من طول المسافة. هل تعرفون ماذا يعني ذلك؟ لطالما تمكن هذا النظام المكون من الدرونات + المحطات الأرضية، من إرسال زوج فوتوني مرتبط كميا، فإنه قد نجح في إرسال مفتاح تشفير لا يمكن لأي أحد كسره، ويمكن إضافته إلى أي نوع من البيانات مثلا صور، أو نصوص، أو حتى مقاطع فيديو، فضلا عن البيانات البنكية أو الأمنية فائقة الحساسية.

وهذا هو ما تم عمله في تجربة الصين والنمسا التالية، حيث تم إرسال صور وفيديو مشفرة من المحطة الأولى إلى المحطة الثانية والعكس، وتمكنت المحطتان من فك التشفير عن الصور والفيديو باستخدام المفتاح الكمي.

تجربة الصين التالية سابقة لتجربة الدرونات ولكنها مكلفة ماديا حيث استخدم فيها القمر الصناعي، غير أنها أيضا منحت مسافات أكبر كما سوف نرى.

تجربة الصين والنمسا:

في يناير من عام 2018 قامت الدولتان باستخدام قمر صناعي لفحص مبدأ الترابط الكمي حيث تم استخدام التشفير الكمي مع صورتين و بث لفيديو [5]. وقد سبق قبل ذلك، في عام 2016 أن أطلقت الصين أول قمر صناعي لديه إمكانية التعامل مع البيانات (البتات) الكمية وهو نفسه الذي استخدم في هذه التجربة [6].

المحطة الأرضية الأولى هي محطة جنجلونج وكانت في الصين بقيادة البرفسور جيان-وي بان من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية في بكين. المحطة الثانية كانت محطة قراز بالقرب من مدينة فيينا بالنمسا وبقيادة البرفسور أنتون زيلنقر وزملائه في جامعة فيينا. أما القمر الصناعي المستخدم فهو قمر ميتشيوس الصيني. هذا القمر هو جزء من منظومة متكاملة تزمع الصين رفعها للفضاء تحت مشروع: التجارب الكمية على مستوى الفضاء [7] Quantum Experiments at Space Scale. مجموع المسافة بين المحطتين هي 7600 كم (الساتل في مدار قريب من الأرض). يستطيع الساتل المذكور إرسال مفاتيح ترابط كمي إلى أي من المحطتين بشكل نبضات ليزرية كما يستقبل برتوكولات المصادقة بين الطرفين.

تم بنجاح إرسال صورة ميتشيوس (فيلسوف صيني سمي القمر باسمه) من محطة الصين إلى محطة النمسا، وأرسلت صورة شرودنجر من محطة النمسا إلى محطة الصين، وكانتا مشفرتين، وتم استخدام مفاتيح الترابط الكمي التي يرسلها الساتل بين المحطتين لفتح الصورتين بنجاح. بل ذهب الباحثون إلى أبعد من ذلك حيث تم عقد اجتماع فيديو بين كل من أكاديمية العلوم الصينية في بكين وأكاديمية العلوم في فيينا بطريقة مشفرة عن طريق الساتل نفسه، وكانت مدتها 75 دقيقة وحجم بياناتها تجاوز 2 جيجابايت.

هناك تجارب أخرى تالية لهذا العمل حصلت باستخدام الألياف البصرية مثل ذلك العمل الذي قام به العالم البرتو بورون مع زملائه في جامعة جنيف وتم على مسافة 421 كم، لم يضف جوهريا لما سبق ذكره أية معلومات [8].

إذن يمكننا القول إن التشفير باستخدام الترابط الكمي نجح في الاستخدام على مدى مسافات بعدة آلاف من الكيلومترات، باستخدام النبضات الليزرية كحامل لمفاتيح التشفير بين المحطتين. من وجهة نظر فيزيائية بحتة، وهي السبب في كتابة هذا الموضوع، تعتبر هذه التجربة ضمن التجارب التي أكدت صدقية مبدأ الترابط الكمي، وأنه صحيح بغض النظر عن المسافات.

قائمة بالمراجع:

[*] تخيل كل ما سبق ذكره ما كان ليحصل لولا هذا الجهاز، ونحن نضيفه هنا وكأنه أمر عادي. إن صناعة جهاز يستطيع استقبال فوتون واحد فقط و تمييزه هو قفزة علمية وتقنية هائلة، ويضاف له حاليا الكاميرات سريعة التصوير التي يمكنها مراقبة حركة فوتون واحد ورصده بدقة متناهية. إنها اكتشافات يقود بعضها إلى بعض، وهو أمر يبشر باكتشافات وتطبيقات مستقبلية قد لا تخطر على البال.

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bit [3] https://www.goanywhere.com/blog/how-encryption-works-everything-you-need-to-know [4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.020503 [5] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.98.010505 [6] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/q/quess [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Experiments_at_Space_Scale [8] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.190502