کامپیوترهای کوانتومی معمولاً به محیط‌هایی فوق‌العاده کنترل‌شده نیاز دارند؛ جایی که دما، لرزش، تابش و حتی کوچک‌ترین اختلالات محیطی تحت کنترل باشند. حالا دانشمندان موفق شده‌اند یک پردازنده کوانتومی را از آزمایشگاه خارج کرده و در مدار زمین به کار بیندازند.
این آزمایش به رهبری فیلیپ والتر از دانشگاه وین انجام شد و یک پردازنده کوانتومی فوتونیک را روی یک ماهواره در مدار پایین زمین قرار داد. نکته مهم این است که هدف آزمایش، ساخت یک ابرکامپیوتر کوانتومی فضایی نبود؛ دانشمندان می‌خواستند ببینند آیا اصول اساسی پردازش کوانتومی می‌توانند در شرایط واقعی فضا نیز حفظ شوند یا خیر.
نتایج اولیه نشان داد که پاسخ مثبت است.
چرا بردن کامپیوتر کوانتومی به فضا این‌قدر سخت است؟
کامپیوترهای کوانتومی برخلاف رایانه‌های معمولی، برای انجام محاسبات از ویژگی‌های عجیب دنیای کوانتومی استفاده می‌کنند. در این پروژه، اطلاعات کوانتومی با فوتون‌ها یا ذرات نور منتقل می‌شد.
مشکل اینجاست که رفتار این فوتون‌ها بسیار حساس است. اگر فوتون‌ها از نظر زمان رسیدن، طول موج یا قطبش تفاوت زیادی داشته باشند، ویژگی‌های کوانتومی موردنیاز برای محاسبه از بین می‌رود.
در زمین می‌توان تجهیزات را در آزمایشگاه کنترل کرد؛ اما یک ماهواره باید با لرزش شدید پرتاب موشک، خلأ، تغییرات دما، تابش خورشید و تشعشعات فضایی کنار بیاید.
به همین دلیل، بخش‌های حساس پردازنده روی پایه‌های تیتانیومی تقویت شدند و فیبرهای نوری نیز برای جلوگیری از حرکت و لرزش محکم شدند. نمونه‌های اولیه حتی تحت آزمایش‌های شدید لرزش و شوک قرار گرفتند تا شرایط پرتاب موشک شبیه‌سازی شود.
این کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می‌کند؟
این سیستم از یک معماری کوانتومی فوتونیک استفاده می‌کند. در این روش، به جای آنکه اطلاعات کوانتومی با مجموعه‌ای از کیوبیت‌های ابررسانا یا اتم‌های به دام افتاده پردازش شود، فوتون‌ها حامل اطلاعات هستند.
در قلب سیستم، منبعی وجود دارد که جفت فوتون تولید می‌کند. این فوتون‌ها وارد شبکه‌ای قابل‌برنامه‌ریزی از مسیرهای نوری روی یک تراشه شیشه‌ای می‌شوند.
قسمت مهم آزمایش، مشاهده یک پدیده کوانتومی به نام تداخل هنگ-او-مندل (Hong-Ou-Mandel interference) بود.
به زبان ساده، وقتی دو فوتون کاملاً مشابه از دو طرف یک اتصال نوری وارد شوند، به جای اینکه مانند دو ذره مستقل رفتار کنند، به شکلی کوانتومی با یکدیگر تداخل می‌کنند و احتمال خروج آن‌ها از مسیرهای جداگانه کاهش پیدا می‌کند.
دانشمندان باید نشان می‌دادند که این رفتار در فضا نیز اتفاق می‌افتد.
آزمایش در مدار چه نتیجه‌ای داشت؟
این پردازنده در ۲۳ ژوئن ۲۰۲۵ با یک موشک فالکون ۹ به مدار پایین زمین فرستاده شد و در ارتفاع حدود ۵۱۰ کیلومتری فعالیت خود را آغاز کرد.
اما آزمایش از همان ابتدا با مشکلاتی روبه‌رو شد.
سیستم شش آشکارساز فوتون داشت که تنها سه مورد از آن‌ها قابل استفاده باقی ماندند. نور خورشید نیز برای آشکارسازها یک مشکل جدی ایجاد کرد و نویز پس‌زمینه را افزایش داد.
در نتیجه، بهترین زمان برای اندازه‌گیری‌های حساس زمانی بود که ماهواره وارد سایه زمین می‌شد. این ماهواره تقریباً هر ۹۲ دقیقه یک دور می‌زد و حدود ۳۰ دقیقه از هر مدار در سایه زمین قرار می‌گرفت.
تشعشعات فضایی نیز به مرور عملکرد آشکارسازها را تحت تأثیر قرار دادند.
حتی لیزر مورد استفاده در سیستم نیز دچار مشکل شد. یک ماده چسبنده در داخل آن در خلأ گاز آزاد کرد و این مواد روی برخی قطعات نوری نشستند؛ اتفاقی که خروجی لیزر را به‌شدت کاهش داد.
با وجود تمام این مشکلات، آزمایش اصلی موفق شد.
دانشمندان چگونه مطمئن شدند رفتار کوانتومی رخ داده است؟
پژوهشگران دمای بلوری را که جفت فوتون تولید می‌کرد، تغییر دادند. این تغییر باعث تغییر طول موج فوتون‌ها شد و به دانشمندان اجازه داد تا شرایطی ایجاد کنند که فوتون‌ها تقریباً غیرقابل‌تمایز شوند.
در دمای حدود ۳۲.۵ درجه سانتی‌گراد، نرخ ثبت هم‌زمان فوتون‌ها به شکل مشخصی کاهش یافت؛ همان الگویی که انتظار می‌رفت از تداخل کوانتومی هنگ-او-مندل ایجاد شود.
میزان رؤیت‌پذیری این تداخل حدود ۰.۹۰۸ اندازه‌گیری شد، در حالی که حد کلاسیک آزمایش ۰.۵ بود.
پژوهشگران این نتیجه را در دو روز متفاوت نیز تکرار کردند. همچنین هنگامی که سیستم را به حالتی تغییر دادند که نباید چنین تداخلی ایجاد می‌کرد، این اثر ناپدید شد.
این آزمایش نشان داد که پردازنده توانسته است در محیط فضایی، همان نوع تداخل غیرکلاسیکی را ایجاد و کنترل کند که برای پردازش کوانتومی فوتونیک اهمیت دارد.
چرا پردازش کوانتومی در فضا اهمیت دارد؟
اینجاست که ماجرا از یک آزمایش فیزیکی جذاب به یک ایده مهم در فناوری تبدیل می‌شود.
ماهواره‌های امروزی حجم بسیار زیادی داده جمع‌آوری می‌کنند؛ از تصاویر سطح زمین گرفته تا اطلاعات آب‌وهوایی، محیط‌زیستی و علمی. مشکل این است که همه این داده‌ها را نمی‌توان به‌سادگی و با سرعت بالا به زمین ارسال کرد.
پهنای باند ارتباطی محدود است.
بنابراین یکی از ایده‌های آینده این است که ماهواره به جای ارسال تمام داده‌های خام، بخشی از پردازش را همان‌جا انجام دهد و فقط نتیجه مهم را به زمین بفرستد.
برای مثال، به جای ارسال حجم عظیمی از تصاویر خام، یک پردازنده مستقر در مدار می‌تواند در آینده داده‌ها را دسته‌بندی یا فشرده کند و تنها اطلاعات مهم را ارسال کند.
پردازنده کوانتومی آزمایش‌شده هنوز قادر به انجام چنین کاری نیست؛ اما نشان داده است که یکی از سخت‌ترین موانع اولیه یعنی عملکرد سخت‌افزار کوانتومی در محیط واقعی فضا قابل عبور است.
آیا ماهواره‌ها به ابرکامپیوتر کوانتومی تبدیل می‌شوند؟
فعلاً نه.
این آزمایش را نباید با ساخت یک «دیتاسنتر کوانتومی در فضا» اشتباه گرفت. پردازنده مورد آزمایش یک نمونه کوچک و آزمایشی است و هنوز فاصله زیادی تا پردازش عملی حجم عظیم داده‌های ماهواره‌ای دارد.
اما اهمیت آن در چیز دیگری است: دانشمندان اکنون اطلاعات واقعی درباره نحوه رفتار تجهیزات کوانتومی در برابر تابش، خلأ، تغییرات دما، لرزش و محدودیت انرژی در اختیار دارند.
این اطلاعات می‌تواند در طراحی نسل بعدی پردازنده‌های کوانتومی فضایی مورد استفاده قرار گیرد.
ترکیب کامپیوتر کوانتومی و اینترنت کوانتومی
یکی از جذاب‌ترین سناریوهای آینده، ترکیب پردازش کوانتومی در مدار با ارتباطات کوانتومی بین ماهواره‌ها و زمین است.
در چنین معماری‌ای، ماهواره فقط یک فرستنده یا گیرنده اطلاعات نیست؛ بلکه می‌تواند به یک گره پردازشی در یک شبکه کوانتومی بزرگ‌تر تبدیل شود.
در این مدل، ماهواره‌ها می‌توانند نقش گره‌های یک شبکه توزیع‌شده را ایفا کنند و پردازش و انتقال اطلاعات کوانتومی در مقیاس بسیار بزرگ‌تری انجام شود.
البته این سناریو هنوز در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارد و فاصله زیادی با یک شبکه کوانتومی فضایی عملیاتی در مقیاس جهانی وجود دارد.
یک آزمایش کوچک با پیامدهای بزرگ
شاید این آزمایش در مقایسه با رایانه‌های کوانتومی بزرگ زمینی بسیار کوچک به نظر برسد، اما اهمیت آن در تعداد کیوبیت‌ها یا قدرت پردازشی نیست.
مسئله اصلی این بود که آیا یک سیستم کوانتومی می‌تواند از آزمایشگاه خارج شود، سوار یک موشک شود، وارد مدار زمین شود و همچنان رفتار کوانتومی موردنیاز خود را حفظ کند؟
نتایج این مأموریت نشان می‌دهد که چنین چیزی امکان‌پذیر است.
این اتفاق می‌تواند یکی از قدم‌های اولیه به سوی آینده‌ای باشد که در آن پردازش کوانتومی دیگر محدود به آزمایشگاه‌های روی زمین نباشد و بخشی از زیرساخت‌های محاسباتی و ارتباطی آینده در مدار زمین قرار بگیرند.
