این روزها حفاظت از حریم خصوصی دشوار است، به‌ویژه روی اینترنت که هر بار چیزی را در گوگل می‌جویید، خواسته‌های شما برای استفاده‌های آینده یا در هر حال برای آگهی‌دهندگان ثبت می شوند. شرکت‌های جست‌و‌جوی اینترنت می‌گویند، با رمزگذاری اطلاعات خصوصی و استفاده از شماره به جای نام (برای گمنام نگه داشتن کاربران) از حریم شخصی مشتریان خود حفاظت می‌کنند. مشکل آن است که گمنام‌سازی همیشه مؤثر نیست. کاربر شماره ۴۴۱۷۷۴۹ سایت AOL این مسئله را از راه دشوارش دریافت؛ هنگامی که AOL تصميم گرفت فهرست بيست میلیون جست‌و‌جوی وب خود را آنلاین منتشر کند، که شامل جست‌و‌جوهای او و ۶۵۷ هزار کاربر دیگر بود.



گزارشگران توانستند با تحلیل جست‌و‌جوهای این بیوه ۶۲ ساله رد او را در Lilburn ایالت جورجیا بیابند. خوشبختانه تلما آرنولد چندان از فاش شدن هویت و جست‌و‌جوهای خصوصی‌اش شرمگین نشد. چند نفر از ما می‌توانند ادعای مشابهی داشته‌باشند؟ اما قوانین فیزیک می‌توانند ما را از این مشکل رهایی دهند. ارتباط روی «کانال‌های کوانتومی» ویژه همین حالا هم بانک‌ها و مؤسسه‌های دیگر را قادر ساخته‌ داده‌ها را با رمز‌گذاری به‌ظاهر شکست‌ناپذیری گسیل کنند. بنابراین، فناوری پنهان‌کردن جست‌و‌جوهای شما از شنودکنندگانی که ممکن است جستارهایتان را استراق سمع کنند، همین الان هم وجود دارد. اما در آینده یک نسخه «کوانتومی» اینترنت ممکن است امکان فرستادن جستارها و دریافت پاسخ‌ها را به گونه‌ای فراهم کند که تضمین کند هیچ‌کس – حتی گوگل – محتوای پرسش‌هایی را که پرسیده‌اید، نداند. افزون بر این، همان فناوری‌هایی که جست‌و‌جوی محرمانه را تضمین خواهندکرد، می‌توانند پوشیدگی تمام کارهای آنلاین را نیز تضمین کنند.

مسلم است که موتورهای جست‌و‌جو داده‌های کاربران را ذخیره و تحلیل می‌کنند تا بتوانند آگهی‌های هدفمندی را نمایش دهند. این‌گونه است که هزینه‌های خود را می‌پوشانند و سود به دست می‌آورند. اگر موتورهای جست‌و‌جو تصمیم بگیرند که داده‌های کاربران را پوشیده بدارند، به مدل تجاری تازه‌ای نیاز خواهند داشت و کاربران نیز باید تصمیم بگیرند که آیا تمایلی به پرداختن هزینه برای جست‌و‌جو دارند یا ترجیح می‌دهند جست‌و‌جو را به رایگان انجام دهند و محتوای جستارهای خود را ببخشند.




شنوندگان غیرکلاسیک
در بهار سال ۲۰۰۴ در جریان کنفرانسی در مونتری کالیفرنیا با اين حس که در جمع وصله ناجوري هستم خودم را در مهمانی میلیاردرها یافتم. نقش من تا جایی که خودم دریافتم، آن بود که شخصیتی باشم که از میان کیک بیرون می‌جهد یا به بیان دیگر باید میهمانانی را که به فناوری کوانتومی علاقه داشتند، سرگرم می‌کردم. سرگئی برین و لَری پیج بنیان‌گذاران گوگل از جمله میلیاردرهای قانونی این همایش بودند.

با شگفتی دریافتم که برین و پیج چیزهای زیادی درباره اطلاعات کوانتومی می‌دانند. پس از بحث داغی درباره این که فیزیک کوانتومی چگونه ممکن است شیوه برهمکنش افراد با اینترنت را تغییر دهد، پیشنهاد کردم که با همکارانم روی بررسی «جست‌و‌جوی کوانتومی اینترنت» کار کنم، حال مفهومش هرچه که می‌خواهد باشد.

توانایی فیزیک کوانتومی در فراهم آوردن پوشیدگی کامل، از حقیقت ساده‌ای برمی‌آید: سیستم‌ها در قلمرو کوانتومی (که هر چیزی از ذرات بنیادی گرفته تا مولکول‌ها را شامل می‌شود)، می‌توانند [همزمان] در چندین حالت وجود داشته‌باشند. در هر زمان مشخصی یک اتم می‌تواند در چندین مکان مختلف باشد؛ یک ذره نور یا فوتون می‌توانند هم افقی و هم عمودی قطبیده باشد؛ گشتاور مغناطیسی یک الکترون می‌تواند بالا و پایین (توأم) باشد و... نتیجه این پدیده آن است که در حالی که بیت‌های داده کلاسیکی (در برابر بیت کوانتومی) می‌توانند مقدار صفر یا يک را داشته‌باشند، بیت‌های کوانتومی می‌توانند ارزش صفر و يک را همزمان داشته‌باشند.

همچنین هر گاه یک بیت کوانتومی همزمان ارزش‌های صفر و يک را بگیرد، نمی‌توانید یک کپی دقیق از آن بیت کوانتومی تهیه کنید و هر اقدامی برای تهیه کپی حالت این بیت را تغییر می‌دهد. این قانون که به نام قضیه No-Cloning شناخته شده شامل رشته‌های بیت‌های کوانتومی هم می‌شود که برای نمونه می‌توانند واژه‌ها یا جمله‌ها را نمایش دهند. یک برآمد این قانون آن است که اگر کسی یک کانال کوانتومی را (که نمونه متداول آن یک فیبر نوری حامل فوتون‌ها در چندین حالت قطبشی مختلف است) شنود کند، نخواهد توانست بدون ایجاد آشفتگی به مراوده‌ها گوش کند و به این سان نفوذ را فاش می‌کند.

به لطف No-Cloning چندین شیوه گوناگون رمزنگاری کوانتومی برای تبادل کاملاً پوشیده داده‌ها وجود دارد. با این حال در آن شیوه‌ها فرض بر آن است که آدرس‌های مقصد بتوانند داده‌ای را که به آن‌ها فرستاده‌اید، بخوانند: فرستادن صرف یک جستار رمزشده به گوگل بی‌فایده خواهدبود. اما سال گذشته همکارانم ویتوریو جیوانتی از Scuola Normale Superiore di Pisa در ایتالیا و لورنزو ماکُن از دانشگاه Pavia در ایتالیا و خود من کشف کردیم که No-Cloning جستارهای پوشیده را نیز ممکن می‌سازد.

در پروتکلی که ما ابداع کردیم، کاربر باید بتواند یک «پرسش کوانتومی» را به موتور جست‌و‌جو بفرستد که رشته‌ای از بیت‌های کوانتومی است که همزمان حاوی پرسش اصلی و پرسشی دیگر است. مهم نیست که این پرسش دوم چه باشد، کامپیوتر شما حتی می‌تواند به طور خودکار یک پرسش تصادفی را تولید کند.
موتور جست‌و‌جو پايگاه‌داده خود را برای پاسخ‌های پرسش‌های چندگانه شما می‌کاود و پرسش‌ها و پاسخ‌ها را در بسته کوانتومی تازه‌ای می‌‌آمیزد و آن را به شما بازمی‌فرستد.

اگر موتور جست‌و‌جو پرسش‌های شما را برای بایگانی خودش کپی کند، درخواهیديافت که حریم خصوصی شما نقض شده‌است، زيرا حالت کوانتومی پرسش‌های نخستین شما به شکلی که کامپیوترتان می‌تواند تشخیص دهد، مختل خواهدشد. مهم‌تر از همه آن است که موتور جست‌و‌جو می‌تواند پاسخ پرسش‌ها را فراهم آورد، بدون آن که رشته‌های بیت رمزکننده پرسش را آشکارسازی فیزیکی کند (چه رسد به کپی کردن آن‌ها) و به این شکل حتی نخواهددانست که پرسش‌ها چه بوده‌اند.




مفاهیم کلیدی
جست‌وجوهای کنونی وب، حتی در حالت گمنام‌شده، هنوز می‌توانند اطلاعاتی شخصی را درباره کاربر آشکار کنند.
روی نسخه کوانتومی اینترنت که هم‌اکنون در دست توسعه است، موتورهای جست‌وجو می‌توانند جستارها و پاسخ‌های آن‌ها را به کاربر بازگردانند؛ با اطمینان از آن که هیچ‌کس داده‌ها را ذخیره یا کپی نکرده‌است.
برای انجام‌دادن جست‌وجوهای کوانتومی، پايگاه‌داده‌هاي موتورهای جست‌وجو باید از گونه تازه‌ای از ذخیره‌سازی حافظه استفاده کنند که نمونه آزمایشگاهی آن ساخته شده‌است.

اگرچه چنان جادویی با کامپیوترها، پايگاه‌هاي‌داده و سخت‌افزار کنونی غيرممکن است، ما دریافتیم که از جنبه فناوری خارج از دسترس نیست. نخستین لازمه جستارهای پوشیده کوانتومی، یک اینترنت کوانتومی ابتدایی است.

فناوری تبادل پیام‌های کوانتومی روی یک خط اختصاصی هم‌اکنون وجود دارد و در مخابرات ایمن مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما یک اینترنت کوانتومی کامل، باید نه فقط یک خط میان دو نقطه بلکه شبکه‌ای باشد که نودهاي آن مسیر بسته‌های داده را تعیین کنند، به گونه‌ای که هر کاربر بتواند به هر کاربر دیگر یا وب‌سروری دسترسی یابد. معلوم شد که مسیریابی داده‌ها بدون تهیه کردن کپی‌های موقت از آن‌ها (و به این شکل، بدون تحمل زیان‌های پیامدهای قضیه no-cloning) کار ساده‌ای نیست و فناوری پیچیده‌ای به نام مسیریاب کوانتومی را می‌طلبد که اکنون در مرحله آزمایش است. نمونه آزمایشی چنان شبکه‌ای ممکن است طی پنج تا ده سال آینده فراهم شود.
کاربردهای گسترده تازه
اینترنت کوانتومی آینده به کاربران امکان آن را می‌دهد تا به شیوه‌هایی با هم تعامل داشته‌باشند که با فناوری کنونی ممکن نیست.
در یک انتخابات چند کاندیدایی (به گونه‌ای که رأی‌دهندگان ترجیح خود میان هر جفت ممکن از کاندیداها را ابراز کنند)، رأی‌گیری کوانتومی کاندیدایی را برخواهدگزید که بیشترین شمار رأی‌دهندگان را خرسند کند.
به طور مشابه، حراج‌های کوانتومی شمار کاربرانی که خواهند توانست کالای مورد خواست خود را با بهای منصفانه بخرند، به حداکثر خواهندرساند.
با کامپیوترهای کوانتومی آینده می‌توان نرم‌افزارهای کوانتومی یک‌بار‌مصرفی را دانلود کرد که می‌توانند مسئله‌های مشخصی را به طور نمایی سریع‌تر از هر نرم‌افزار معمولی حل کنند.
در آینده دور یک اینترنت کوانتومی ممکن است حتی انتقال (teleportation) اجسام فیزیکی را ممکن کند.


دومین لازمه جست‌و‌جوی پوشیده وب آن است که کاربران و سرورهای داده [دست‌کم] دارای کامپیوترهای کوانتومی ساده‌ای باشند، یعنی کامپیوترهایی که بتوانند بیت‌های کوانتومی را ذخیره کرده و با آن‌ها کار کنند. متأسفانه بیت‌های کوانتومی به بی‌ثباتی مشهورند و تمایل دارند که در کسری از ثانیه خود‌به‌خود حالت چندگانه کوانتومی خود را از دست بدهند. کامپیوترهای کوانتومی تجربی‌ای که بیت‌های کوانتومی را در حالت‌های مغناطیسی یون‌های معلق در خلاء ذخیره می‌کنند تا الان می‌توانند تنها حدود هشت بیت کوانتومی را همزمان ذخیره کنند.



یک کامپیوتر کوانتومی تمام‌عیار به صدها (اگر نگوییم هزاران) بیت کوانتومی نیاز دارد و احتمالاً چند دهه تا رسیدن به آن حتی به عنوان مدل آزمایشگاهی فاصله داریم. اما خوشبختانه برای جست‌و‌جوهای پوشیده کوانتومی، فقط حدود سي بیت کوانتومی کافی خواهدبود: یک جستار سي بیتی اگر به طور مناسب رمزنگاری شده‌باشد، می‌تواند پاسخی را از پايگاه‌داده‌اي با افزون بر یک میلیارد مدخل بیرون بکشد. «ریزپردازنده‌های کوانتومی» سي بیتی‌ای نیز ممکن است ظرف پنج تا ده سال آینده در دسترس قرار گیرند.

نه چندان تصادفی
تا اینجا همه چیز خوب به نظر می‌رسد: جست‌و‌جوهای پوشیده کوانتومی فقط به کامپیوترهای کوانتومی و سیستم‌های مخابرات کوانتومی بسیار ساده‌ای نیاز دارند. اکنون می‌رسیم به بخش دشوار. برای پاسخ دادن به پرسش کوانتومی چندشاخه یک کاربر، پايگاه‌داده یک موتور جست‌و‌جو باید بتواند پاسخ هر بخش پرسش را همزمان با پاسخ بقیه بخش‌ها فراهم آورد. به انجام رساندن چنین کاری به شکل تازه‌ای از ذخیره‌سازی داده، به نام حافظه دسترسی تصادفی کوانتومی یا کوانتوم رَم نیاز دارد.

رَم قطعه‌ای برای ذخیره کردن داده است، که آرایش یک ساختار درخت‌مانند را دارد. هر قطعه داده‌ها رشته‌ای از هشت بیت، یا یک بایت است و آدرسی دارد که خودش رشته‌ای از بیت‌ها است. بایت‌ها مانند برگ‌های روی درخت هستند؛ آدرس، کنترل‌کننده مسیر از تنه به یک برگ خاص است.

نخستین بیت آدرس مشخص می‌کند کدام یک از دو شاخه را در پایین‌ترین سطح درخت باید پی‌گرفت، دومین بیت دومین سطح انشعاب را کنترل می‌کند و به همین ترتیب. تعداد شاخه‌ها در هر سطح دو برابر می‌شوند و در یک رَم متعارف با آدرس‌های سي بیتی، برای بازیابی داده‌ها باید ۲0۳۰ (بیش از یک میلیارد) سویيچ را گرداند.

می‌توان نسخه‌ای کوانتومی از رَم سنتی را طراحی کرد. تنها تفاوت آن است که سویيچ‌هایی که مسیر اطلاعات در درخت دودویی را پیدا می‌کنند، اکنون باید بتوانند مسیر اطلاعات را به طور همزمان در دو شاخه مختلف بیابند، زیرا هر بیت از یک پرسش کوانتومی می‌تواند دو مسیر مختلف را مشخص کند. چنین سويیچ‌های کوانتومی‌ای را با فناوری موجود، مانند آینه‌های نیمه‌شفافی که فوتون‌ها را می‌شکافند، به گونه‌ای که همزمان دو مسیر مختلف را دنبال کنند، می‌توان ساخت.

مشکل آن است که مدارهای کوانتومی به شدت به اختلال‌های محیطی و خطاها حساسند: اگر فقط یکی از سویيچ‌ها دچار مشکل شود، پوشیدگی بیت متناظر با آن از دست می‌رود. از آنجا که یک بیت آدرس نوعي شمار بزرگی از سویيچ‌ها را کنترل می‌کند شانس از دست رفتن پوشیدگی بسیار بالا است.




درباره نویسنده
سِت لوید، استاد مهندسی مکانیک (یا آن‌گونه که دوست دارد خود را توصیف کند، استاد «مکانیک کوانتومی») در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مدیر W.M.Keck Center for Extreme Quantum Information Theory در MIT است. او یکی از نخستين مدل‌های نظری را برای محاسبات کوانتومی ایجاد کرد و با چندین گروه برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی و سیستم‌های مخابرات کوانتومی همکاری می‌کند. انتشارات Knopf در سال 2004 کتاب لوید را با عنوان Programming the Universe منتشر کرد.

جیوانتی، ماکُن و من طرح دیگری را برای آدرس‌دهی در رَم (هم کلاسیکی و هم کوانتومی) پیشنهاد کرديم که در آن سویيچ‌های بسیار کمتری برای هر فراخوانی از حافظه گردانده می‌شوند. راز این شیوه در فرستادن بیت‌های آدرس به همان شاخه‌های درخت است که داده‌ها باید بپویند، به جای آن‌که بیت‌های آدرس به‌ خط‌های آدرس‌دهی جداگانه‌ای فرستاده شوند. زيرا بیت‌های آدرس پشت سر هم در این ارائه فرستاده می‌شوند، این ساختار را رم «آرایه سطل‌ها» [همان شیوه‌ای که برای نمونه، برای رساندن سطل‌های آب به محل حریق به کار می‌رفته‌است] می‌خوانیم (کادر «حافظه‌اي براي موتورهاي جست‌وجوي کوانتومي» را ببینید).

معماری آرایه سطل‌ها نیازمند گرداندن تنها یک سویيچ در هر سطح آرایه است، در حالی که یک رم متعارف همه سویيچ‌ها را در هر سطح می‌گرداند. صرفه‌جویی حاصل از این روش بسیار قابل توجه است: یک رم آرایه سطلی با یک میلیارد کلید حافظه، برای هر فراخوانی از حافظه سي سويیچ را می‌گرداند، در مقایسه با یک میلیارد سویيچی که برای هر بازخوانی حافظه در یک رم متعارف گردانده می‌شوند و فایده‌های نسبی معماری آرایه سطلی، هم در نرخ خطا و هم در صرفه‌جویی در انرژی، با افزایش شمار بیت‌ها به طور نمایی رشد می‌کند.



تسکین کوانتوم
در آغاز پنداشتیم که ایده آرایه سطلی پتانسیل دگرگون‌کردن صنعت رم کلاسیک را دارد و تصویرهای علامت‌های دلار [$] در ذهن‌های‌ ما به پرواز درآمدند. اما به زودی دریافتیم که دیگران پیش‌تر به فکر طرح همانندی افتاده‌بودند و در هر حال این طرح برای رم کلاسیک زیادی کند بود (اگرچه می‌توانست راه‌حل کم‌مصرفی برای حافظه‌های ماندگار، مانند آن‌هایی که در دوربین‌های عکاسی به کار می‌روند، باشد).

اما طراحی آرایه سطلی برای جست‌و‌جوهای کوانتومی حیاتی خواهدبود، زيرا معماری آن تحمل نرخ خطای یک در سي را دارد، به جای یک در میلیارد. قطعه حافظه برای یک رم کوانتومی می‌تواند شامل یک حفاظ فیزیکی معمولی باشد. برای نمونه، داده‌ها می‌توانند در میلیاردها آینه ریز ذخیره شوند، مانند همان‌هایی که سطح یک سي‌دي متعارف را تشکیل می‌دهند. بخش واقعاً کوانتومی یک رم کوانتومی، آرایه سویچینگ آن است، که می‌توان آن را با سویيچ‌هایی ساخت که هر کدام می‌توانند بیت‌های کوانتومی را همزمان در هر دو شاخه منتهی به خود بفرستند. این‌گونه سویيچ‌های کوانتومی هم‌اکنون موجودند و نرخ‌های خطای آن‌ها برای ساختن یک رم کوانتومی با یک میلیارد کلید یا بیشتر به قدر کافی کوچک است.

به‌يقين سرهم‌کردن سویيچ‌های کوانتومی برای ساختن یک رم کوانتومی بزرگ دشوار است، جدا از مشکل متصل کردن رم کوانتومی به کانال‌های مخابرات کوانتومی برای پیاده‌سازی جستارهای خصوصی کوانتومی. اما هیچ کدام از این دشواری‌ها برطرف‌نشدنی به نظر نمی‌رسد. اتفاقاً به تازگی دریافته‌ایم که شیوه‌های مسیریابی داده‌ها در طرح رم کوانتومی ما را می‌توان در شبکه‌های سويیچینگ اینترنت کوانتومی به شکل یکپارچه به کار بست. به این ترتیب، مردم خواهندتوانست در گمنامی کامل به گشت و گذار در وب بپردازند، در حالی که نه‌ تنها موضوع جست‌و‌جوهای خود، بلکه ‌سایت‌هایی را که از آن‌ها بازدید می‌کنند نیز آشکار نمی‌کنند.

چند ماه پس از آن که همکارانم و من جزئیات چگونگی ساختن رم کوانتومی و انجام دادن جست‌و‌جو‌های پوشیده کوانتومی را تکمیل کرديم، در کنفرانسی در Napa در کالیفرنیا به دیدار برین و پیج شتافتم. در وان داغی زیر درختان انجیر در حالی که ستارگان بالای سرمان می‌چرخیدند، توضیح دادم که جستارهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند و سودمندی‌های آن‌ها چه چیزهایی می‌تواند باشد. نخستین پاسخ آن‌ها آن بود که مدل کسب‌وکار گوگل، نگه داشتن اطلاعات درباره تمام جستارها و استفاده از آن برای رتبه‌بندی آگهی‌ها و پاسخ جست‌و‌جوهای آینده است. قبلاً برای آن‌ها پیش نیامده‌بود که نخواهند اطلاعات جستارها را نگه دارند.

وقتی برتری‌های آشکار یک مدل کسب‌وکار تازه کوانتومی را (بر پایه دریافت هزینه از مشتریان برای نتیجه‌های جست‌و‌جو) برای ‌آن‌ها برشمردم، کمی بیشتر فکر کردند. گفتند: «بسیار خوب، بگذار ببینیم می‌توانی بسازیش یا خير.» به تازگی فرانچسکو دی مارتینی و گروهش در دانشگاه La Sapienza رُم، دقیقاً همین کار را انجام داده‌اند. با استفاده از لیزرها، پُلاریزرها و آشکارسازهای فوتونی یک رم کوانتومی ساده ساختند و پروتکل جست‌و‌جوی ما را روی یک پايگاه‌داده کوچک به نمایش درآوردند. بنابراین، جستارهای پوشیده کوانتومی یک امکان حقیقی هستند. هیچ‌کس نمی‌تواند حدس بزند اگر روزی یک رم کوانتومی بزرگ‌تر یا یک اینترنت کوانتومی پایدار داشته‌باشیم، چه رخ خواهدداد.



منابع
- رازهاي ارزشمند ناشناخته، نوشته گري استيکس، ساینتیفیک امریکن، جلد ۲۹۲، شماره ۱، صفحه ۸۳-۷۹؛ ژانویه ۲۰۰۵.
- Physical Review Letters، نوشته ويتروريو جيوانتي، ست لويد و لورنزو ماکن، جلد ۱۰۰، شماره ۱۶، صفحه ۱۶۰۵۰۴-۱۶۰۵۰۱. ۲۵ آپریل ۲۰۰۸.
- پرس و جوهاي اينترنت خصوصي، نوشته ويتروريو جيوانتي، ست لويد و لورنزو ماکن،Physical Review Letters، جلد ۱۰۰، شماره ۲۳، صفحه ۲۳۰۵۰۵-۲۳۰۵۰۲. سيزدهم ژوئن ۲۰۰۸.
- اینترنت کوانتومی، نوشته اچ‌جي کمبل، Nature، جلد ۴۵۳، صفحه ۱۰۳۰-۱۰۲۳. نوزدهم ژوئن ۲۰۰۸.