فعالیت‌های پژوهشی

در یک شبکه پیچیده ارتباطی، انتقال اطلاعات از یک یا چند مبدأ به یک یا چند مقصد مورد نظر از طریق سامانه‌های مخابراتی میسر می‌شود. لذا، با نزدیک شدن به عصر اطلاعات کوانتومی، نیاز روزافزونی به توسعه سامانه‌های مخابراتی متناسب با فناوری‌های نوین اطلاعات کوانتومی احساس می‌شود. سامانه‌های مخابرات کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی مانند درهم تنیدگی، برهم نهی، تحول زمانی و اندازه‌گیری بهره می‌گیرند تا قابلیت‌های نوینی را برای شبکه‌های اطلاعاتی فراهم کنند. این رویکردهای کوانتومی، امنیت و عملکرد سامانه‌های مخابراتی کلاسیک را بهبود می‌دهد و از آن مهمتر، انتقال نسل جدید اطلاعات را ممکن می‌سازند. دو عامل مهم نویدبخش دستیابی به سامانه‌های مخابرات کوانتومی در آینده نزدیک است. اول آنکه نور می‌تواند ویژگی و ماهیت کوانتومی مورد نیاز جهت توسعه و مهندسی سامانه‌های ارتباطی کوانتومی را ارائه کند. دوم اینکه، با توجه به توسعه شبکه‌های فیبر نوری، امکان انتقال اطلاعات با سرعت بالا از طریق سیگنال‌های نوری فراهم آمده است.

مهمترین جنبه‌های پژوهش در زمینه سامانه‌های ارتباطی کوانتومی عبارتند از:

• بهبود عملکرد سامانه‌های ارتباطی کلاسیک: به طور معمول، در سامانه‌های مخابراتی، محیط انتشار و سیگنال‌ها با استفاده از فیزیک کلاسیک یا نیمه کلاسیک مدل می‌شوند. با این حال، یک توصیف دقیق‌تر از سیگنال‌ها و کانال‌های مخابراتی با استفاده از مکانیک کوانتومی به دست می‌آید که در آن، سیگنال‌های ارسالی و دریافتی حالت‌های کوانتومی نور هستند. طراحی گیرنده بهینه متناسب با سیگنال مخابراتی دریافتی نقش چشمگیری درعملکرد سامانه‌های مخابراتی دارد. در سال 1976، هلستروم مفاهیم اساسی ارتباطات کوانتومی را برای انتقال اطلاعات کلاسیک از نظر تئوری آشکارسازی کوانتومی توسعه داد و نشان داد که در نظر گرفتن ماهیت کوانتومی سیگنال‌ها در طراحی گیرنده منجر به عملکرد بهتری نسبت به گیرنده بهینه کلاسیک خواهد شد. از آن زمان، این رشته به یک حوزه پژوهشی فعال تبدیل شده است.

• فراهم‌سازی ایمنی ذاتی در سامانه‌های ارتباطی: از دیرباز ارتباطات ایمن، مانند رمزنگاری کلید عمومی، عمدتاً مبتنی بر مسائل ریاضی با پیچیدگی محاسباتی زیاد بوده است. توسعه رایانه‌های کوانتومی در سال‌های آینده، طرح‌های کلاسیک برای ارتباطات امن را به مخاطره می‌اندازد. فناوری‌های کوانتومی در عین اینکه تهدیدی برای روش‌های امن کلاسیک هستند، جایگزین مطمئنی را نیز ارائه می‌کنند.  امنیت ذاتی ناشی از اصول بنیادین مکانیک کوانتومی نظیر عدم امکان کپی‌برداری اطلاعات کوانتومی و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توزیع کلید کوانتومی (QKD) را ممکن می‌سازد. این روش سامانه‌های مخابراتی را قادر می‌کند تا ارتباطات ایمن را برای کاربران فراهم سازد. از این رو، از زمان کار تأثیرگذار چارلز بنت و ژیل براسارد در سال 1984 در مورد QKD،  این حوزه پژوهشی مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. اهمیت این دستاورد برای فناوری اطلاعات به حدی بوده است که اکنون تبدیل به یکی از پیشران‌های اصلی تجاری‌سازی فناوری‌های مرتبط با مخابرات کوانتومی شده است.

• انتقال اطلاعات کوانتومی: سامانه‌های محاسبات توزیع شده کلاسیک یکی از کاربردهای مهم شکل گرفته در بستر سامانه‌های مخابراتی کنونی است. از این رو می‌توان انتظار داشت که پردازش توزیع‌شده اطلاعات کوانتومی به عنوان یک عنصر کلیدی در افق چشم‌انداز گسترش سامانه‌های مخابراتی کوانتومی مورد توجه قرار گیرد. گسترش پردازش و محاسبات کوانتومی در آینده نه چندان دور، مستلزم انتقال اطلاعات کوانتومی در چنین سامانه‌های کوانتومی توزیع‌شده‌ای است. از این رو، سامانه‌های نوین مخابراتی کوانتومی باید  قابلیت انتقال اطلاعات متناسب با سامانه‌های کوانتومی توزیع شده را داشته باشند. سامانه‌های مخابراتی کوانتومی می‌توانند با استفاده از روش‌هایی مانند ترابرد کوانتومی، کدگذاری کوانتومی و توزیع درهم تنیدگی، زمینه‌ی توسعه سامانه‌های کوانتومی توزیع‌شده آینده را فراهم کنند.

همانند سامانه‌های مخابراتی کلاسیک، می‌توان سامانه‌های مخابراتی کوانتومی را در مقیاس کلان، به عنوان ترکیبی از شبکه‌ها و زیرسامانه‌های مخابراتی کوچکتر در نظر گرفت که گسترش هر یک دارای چالش‌های مختص خود است. برای تجاری‌سازی فناوری‌های اطلاعات کوانتومی بر بستر سامانه‌های مخابراتی کوانتومی، این سامانه‌ها باید امکان ارائه سرویس‌های مخابرات کوانتومی را برای انبوهی از کاربران فراهم سازند. انتظار می‌رود که در سامانه‌های مخابراتی کوانتومی آینده دسترسی تعداد زیادی از کاربران به سرویس‌های مختلف از طریق یک محیط مشترک (مانند فیبر نوری) فراهم شود. در چنین کانال مخابراتی مشترکی، سیگنال‌های مخابرات کوانتومی مورد استفاده برای کاربرهای مختلف، دچار تداخل می‌شوند. بنابراین یکی از مهمترین موضوعات در سامانه‌های نوین مخابراتی کوانتومی مربوط به دروازه ورود کاربران به شبکه مخابراتی و شیوه تقسیم مناسب محیط انتقال مشترک اطلاعات، با کمینه تداخل بین سیگنالی است که به آن روش دسترسی چندگانه گفته می‌شود.

به عنوان مثال:

• روش دسترسی چندگانه با تقسیم طول موج (WDM) یکی از روش‌های متداول در شبکه‌های ارتباطی فیبر نوری است که در آن هر جفت کاربر از طول موج معینی برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند. در روش دسترسی چندگانه کوانتومی با تقسیم طول موج (QWDM) ما به تحول سیگنال‌های کوانتومی در مسیر شبکه و یافتن مدل ریاضی آن و تحلیل عملکرد شبکه بسته به پارامترهای موجود مانند تعداد کاربرها، پهنای باند، حالت کوانتومی سیگنال‌های ورودی و نوع ادوات، گیرنده‌ها و فرستنده‌های کوانتومی می‌پردازیم. شکل ۱ نمایش دهنده شماتیکی تعمیم یافته از سیستم QWDM می‌باشد.

• در تکنیک‌های دسترسی چندگانه با تقسیم کد (CDMA)، ارتباط بین یک جفت کاربر مستلزم آن است که هر فرستنده بارکدی (یک دنباله باینری شبه تصادفی) منطبق بر بارکد گیرنده مد نظر را بر روی بیت‌های اطلاعاتی ارسالی کدگذاری کند. از مزایای CDMA  می‌توان به مواردی مانند راندمان طیفی بالا، حفظ حریم خصوصی داده‌ها و امکان انتقال داده در زمان دلخواه برای کاربران اشاره نمود. شکل 2 نوع نوینی از شبکه دسترسی چندگانه کوانتومی با تقسیم کد (QCDMA) رابه تصویر می‌کشد که از مؤلفه‌های فرکانسی سیگنال جهت بارکدگذاری استفاده می‌شود. مقاله [1] مدل ریاضی منسجمی برای کدگذاری و کدگشایی بر روی طیف فرکانسی پالس‌های کوانتومی، و پخش کننده‌های کوانتومی ارائه می‌دهد و از این رو تحول حالت کوانتومی هر سیگنال نوری ارسالی دلخواه مانند تک فوتون‌ها، حالت گلابر و حالت‌های چلانده  در مسیر شبکه را می‌تواند نشان دهد.

شکل ۲- شبیه‌سازی  سیستم دسترسی چندگانه با تقسیم کد برای یک شبکه ۲×۲ هنگامی که سیگنال ارسالی حالت کوانتومی گلابر و تک فوتون می‌باشد (منبع).