يجد معظم الناس أن ميكانيكا الكم معقدة ويصعب فهمها. أضف نظرية المعلومات – الرياضيات وراء الحوسبة – إلى هذا المزيج، وسيصبح الأمر بمثابة صداع حقيقي.
لكن منظري المعلومات تشارلز بينيت وجيل براسارد يجادلان بأن المعلومات الكمومية هي شيء يجب علينا جميعا أن نعتاد عليه. ويؤكدون أن الأمر بسيط وجميل، ولن يبقى في عالم ما دون الذرة البعيد لفترة طويلة. قريبًا، على سبيل المثال، قد تختفي جميع الأموال الموجودة في حساباتنا المصرفية إذا لم نتصرف بسرعة. وذلك لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية المبنية على النظرية يمكنها في يوم من الأيام كسر التشفير الذي يؤمن الإنترنت ونظامنا المالي.
حصل بينيت وبراسارد مؤخرًا على جائزة AM Turing، التي تمنحها سنويًا جمعية آلات الحوسبة. سُميت هذه الجائزة على اسم والد الحوسبة، آلان تورينج، وغالبًا ما يطلق عليها “جائزة نوبل للحوسبة”. تُقدر جائزة هذا العام كيف أن اكتشافات الثنائي جعلت المعلومات الكمومية ذات صلة ولا مفر منها.
حول دعم الصحافة العلمية
إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.
قبل عملهم، حتى الخبراء اعتبروا العالم الكمي منفصلًا عن عالمنا. لقد نجحت حسابات نظرية الكم، لكن منطقها كان مختلفًا، كما اعتقدوا. عندما يتعلق الأمر بالحوسبة، فإن حقيقة أن العالم المجهري كمي كانت بمثابة صداع مزعج، وهو أمر يجب حله. يعتقد العلماء أن كل شيء سيعمل بشكل أفضل، إذا تمكنوا من تجاهل قواعده الملتوية بأمان.
لكن بدلًا من تجنب الظواهر الكمومية الغريبة مثل التراكب والتشابك، اعتنقها بينيت وبراسارد. لقد وجدوا طرقًا لتسجيل رموز غير قابلة للفك ونقل الحالات المجهرية عبر مسافات هائلة، وهو ما قد يكون مستحيلًا باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تصورها تورينج.
العلمية الأمريكية تحدث مع رواد الحوسبة حول إنجازاتهم، وتحذيراتهم المسبقة، ولماذا يجب علينا جميعًا أن نشعر بالارتياح مع الكم.
(وفيما يلي نسخة منقحة من المقابلة.)
كيف بدأتما العمل معًا؟
براسارد: المرة الأولى التي سمعت فيها عن تشارلي بينيت كانت من خلال قراءة كتاب عدد نوفمبر 1979 من العلمية الأمريكية. عمود يطبع إحدى مخطوطات تشارلي كلمة بكلمة. قرأته على متن الطائرة المتجهة إلى سان خوان، بورتوريكو. في اليوم التالي كنت أسبح وأهتم بشؤوني الخاصة، عندما جاء إلي هذا الشخص الغريب تمامًا وبدأ يخبرني عن الفيزيائي ستيفن ويزنر وكيفية عمل الأوراق النقدية التي من المستحيل تزويرها.
وكان ذلك تشارلي!
بينيت: يحاول الناس جني الأموال بصعوبة من خلال تزويرها. ولكن إذا كنت جيدًا حقًا في ذلك وتعمل بجد وتشرحه تحت المجهر، فلن يكون هناك أي عائق مادي أمام تكراره. أدرك ويزنر أنه يمكنك الاستفادة من ميكانيكا الكم لكسب المال الذي يستحيل تزويره فيزيائيًا. بناءً على أفكار ويزنر، أدركت أنا وجيل أنه من الممكن لشخصين إنشاء مفتاح تشفير دون أن يتمكن أي شخص آخر من التنصت.
فكيف يعمل هذا في الواقع؟
بينيت: لذا، إذا أرادت “أليس” إرسال مفتاح سري إلى “بوب”، فإنها تنتج قطارًا من الفوتونات، والمفتاح هو استقطابات هذه الفوتونات. لكن أي شخص يريد قياس أحد استقطابات الفوتون عليه أن يختار إحدى طريقتين لقياسه، تسمى المستقيمة والقطرية. وإذا اختاروا الإجابة الخاطئة، فسوف يحصلون على إجابة عشوائية ويفسدون الاستقطاب الأصلي للفوتون.
ولكن بوب لديه نفس المشكلة، أليس كذلك؟
بينيت: في الواقع. لا يعرف بوب أي الاستقطابات اختارتها أليس، لذا فهو يخمن، ويجري عشوائيًا قياسًا مستقيمًا أو قطريًا لكل فوتون عند وصوله.
براسارد: إنه يفسد نصف الولايات في هذه العملية، وهو لا يعرف حتى أي منها أفسد. ولكنه بعد ذلك يخبر أليس بالقياسات التي اختارها، دون أن يخبرها بالنتائج التي حصل عليها. ثم تخبره أليس بالخيارات الصحيحة.
قام كل منهم برمي نصف هذه البتات لأن بوب قاسها على طول المحور الخطأ. والذين يحتفظون بهم يشكلون مفتاحًا يشاركونه ولا يعرفه أحد.
لذلك بعد أن يتلقى بوب الفوتونات ويقيسها، من المهم أن يتمكن هو وأليس من التواصل بشأن القياسات التي قام بها.
براسارد: وهذا الاتصال يمكن أن يكون في العلن، على قناة عامة عرضة للتنصت. ولكن يجب المصادقة عليها — يجب أن تتأكد أليس من أن الرسالة التي تتلقاها هي من بوب ولم يتم تغييرها أثناء النقل، والعكس صحيح.
بينيت: لقد أطلقنا على هذا البروتوكول بشكل متواضع اسم “BB84″، نسبة إلى الحرفين الأخيرين من اسمنا والعام الذي اكتشفناه فيه. في البداية، لم يهتم أحد. والشيء الذي حدث بالفعل هو عندما اكتشف بيتر شور خوارزمية التحليل الكمي الخاصة به في عام 1994، مما يعني أن التشفير الكلاسيكي، كما كان يُمارس آنذاك، سيصبح غير آمن تمامًا في وقت ما في المستقبل.
إذن، أظهر BB84 للجميع في النهاية قوة المعلومات الكمومية؟
بينيت: حسنًا، هذا بالإضافة إلى النقل الآني الكمي، وهو السبب في أن التشابك الكمي يسيطر على هذا المجال بأكمله حتى يومنا هذا.
ماذا تقصد بالنقل الآني؟ إنه لا ينقل المادة المادية من مكان إلى آخر كما هو الحال في ستار تريك، يمين؟
بينيت: لا! زميلنا الراحل آشر بيريز، الذي كان لا يحترم الروحانية كثيراً، التقى ذات مرة بشخص من الاتجاه المعاكس. وسألوه: “إذا قمت بنقل شخص ما، فهل ينقل الجسد فقط أم الروح أيضًا؟” فأجاب أشير بابتهاج: «الروح فقط!»
أنت تقوم بنقل المعلومات الكمومية – حالة النظام – وليس النظام المادي نفسه. ويمكنك القيام بذلك عن طريق ربط النظام الكمي لأليس مع نظام بوب.
براسارد: يمكن استخدام هذا لنقل المعلومات الكمومية داخل جهاز كمبيوتر كمي، ويمكن استخدامه يومًا ما لتنفيذ “الإنترنت الكمي” لنقل المعلومات الكمومية عبر العالم، تمامًا كما تفعل الإنترنت مع المعلومات الكلاسيكية.
لقد أظهرت ورقتنا للتو أن النقل الآني كان ممكنًا من الناحية النظرية. لم يكن هناك شك في أذهاننا أنه يمكن القيام بذلك. بالطبع، لم نحلم أبدًا بإجراء التجربة بأنفسنا.
لكنك أظهرت تشفير BB84 على مسافة 30 سم. الآن تم تنفيذ كلا الفكرتين على مدى آلاف الكيلومترات. فهل أنتم متفاجئون من هذا التقدم؟
براسارد: لا أعتقد أننا توقعنا أيًا من ذلك. لم تكن مهمتنا اليومية بعد. لقد استمتعنا كثيرًا بطرح هذه الأفكار المجنونة. ولكن مع مرور السنوات، وخاصة بعد ظهور خوارزمية شور، أدركنا أن الأمر أصبح أكثر خطورة.
التراكب والتشابك هما جانبان من ميكانيكا الكم يجدهما معظمنا غريبًا وغير بديهي. كيف أدركت أنها يمكن أن تكون مصدر قوة، ولماذا لم يعتقد أي شخص آخر ذلك حتى ذلك الحين؟
بينيت: كان هناك أشخاص أذكياء للغاية شاركوا في الأيام الأولى لنظرية المعلومات وعلوم الكمبيوتر – تورينج وشانون وفون نيومان – وكانوا جميعًا يعرفون ميكانيكا الكم. لكنهم نظروا إليها على أنها نوع من الإزعاج لمعالجة المعلومات لأنها تجعل الاتصالات أكثر ضجيجًا والقياسات أقل موثوقية. ولحسن الحظ، وبسبب نجاح عملهم، أدركنا أنه يمكن استخدام هذا الإزعاج بشكل إيجابي.
كان ويزنر أول من قال، ما الذي يمكن أن نستخدمه في هذا الإزعاج؟ ومن ثم أظهر عملنا أن التشابك هو مورد وأنه يمكن استخدامه للقيام بأشياء لا يمكنك القيام بها بالمعلومات الكلاسيكية. انها بسيطة وجميلة.
لا يعتقد معظم الناس أن المعلومات الكمومية بسيطة.
بينيت: لكنه كذلك! عليك فقط أن تقبل أن الكل المحدد تمامًا يمكن أن يحتوي على أجزاء عشوائية. إنه أمر غير بديهي تمامًا، ولكن بمجرد قبول ذلك، فإن الكثير من الغرابة تختفي.
براسارد: لقد كنت ناجحًا جدًا في غسل دماغي لدرجة أنني أعتبر المعلومات الكمومية وقوانين نظرية الكم أمرًا طبيعيًا تمامًا. انها متأصلة جدا في أفكاري. الشيء الوحيد الذي لا أفهمه هو أنني لا أستطيع المرور عبر الجدران!
هل تأمل أن يساعد إرثك الناس على الارتياح مع المعلومات الكمومية؟
بينيت: نعم. أريد أن تصبح جزءا من معرفة أي شخص متعلم. النسبية أيضًا غير بديهية، فالمكان والزمان متشابكان، لكن معظم المتعلمين يعرفون أن الضوء لا يمكنه الهروب من الثقب الأسود.
براسارد: نحن نستخدم شهرتنا الجديدة لتعزيز وعي الأشخاص العاديين بالمعلومات الكمومية. لكنني أستخدمه أيضًا لتعزيز الوعي بالكارثة التي تحل بنا عندما تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتقويض طرق التشفير الحالية تمامًا.
بينيت: وتجد أن البنك الذي تتعامل معه قد أغلق لأنه لا يستطيع حماية الأصول التي أودعتها فيه.
براسارد: لقد كنت أتجول حول العالم لأخبر الناس عن مدى سوء الأمور. وحتى وقت قريب إلى حد ما، كنت أشعر وكأنني كاساندرا في الأساطير اليونانية – ملعونة لرؤية المستقبل ولكن لا أحد يصدقها. ولكن الآن الناس يستمعون أخيرا.
كيف يمكننا حفظ بياناتنا؟
براسارد: حسنًا، أي معلومات تم نقلها على الإنترنت هي قضية خاسرة، لأنه حتى لو تم تشفيرها، فمن الممكن أن يقوم الخصم بتنزيلها وحفظها للمستقبل حيث يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية فك تشفير أي من الطرق القديمة. لذا يجب علينا أن نتقبل حقيقة أن الماضي قد ضاع. ولا يسعنا إلا أن نأمل في إنقاذ المستقبل.
ولهذا السبب، هناك ما يسمى بالتشفير ما بعد الكمي: التشفير الذي لم يثبت أنه قابل للكسر بواسطة كمبيوتر كمي. لكن هذا لا يعني أنه لا يمكن أن يكون كذلك، فكل ما نعرفه هو أنه من الممكن حتى أن يتم اختراقه بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي. ثم هناك التشفير الكمي، وهو آمن إذا تم تنفيذه بشكل صحيح.
ولكن إذا استخدمت كليهما – قم بإنشاء مفاتيح مستقلة بكلتا التقنيتين والجمع بينهما، ثم استخدم هذا المفتاح لإرسال رسالة – إذن، لكسرها، سيحتاج الخصم إلى كسر كلا النظامين، الأمر الذي سيكون أصعب بكثير.
التعليقات