محاسبات کوانتومی، ارتباطات بی‌سیم و شبکه‌های 6G

شبکه‌های بی‌سیم 6G آینده به رایانه‌های کوانتومی متکی خواهند بود اما توسعه این فناوری و پایدارسازی آن پیچیده است. یکی از پژوهشگران پیشرو در حوزه پیشبرد 6G، شرح کاملی از این فناوری را در یک مصاحبه ارائه داده است.

کد خبر: ۷۱۲۸۹۷

تاریخ: ۰۷ تير ۱۴۰۳ - ۱۹:۰۵

به گزارش ایران اکونومیست، در حالی که شبکه‌های بی‌سیم نسل پنجم (5G) تنها از حدود پنج سال گذشته در دسترس بوده‌اند، شبکه‌های 6G به سرعت در حال تحقق بخشیدن به رویاها هستند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، این فناوری بی‌سابقه که پیش‌بینی می‌شود در حدود سال ۲۰۳۰ راه‌اندازی شود، نه تنها سرعت داده بسیار سریع‌تری را نسبت به 5G ارائه می‌دهد، بلکه هوش مصنوعی و فناوری‌های کوانتومی را برای کاهش تأخیر و ادغام حوزه‌های انسانی، فیزیکی و دیجیتالی ادغام می‌کند.

یکی از پژوهشگرانی که تلاش‌های اروپا را در حوزه 6G رهبری می‌کند، «ریکاردو باسلی»(Riccardo Bassoli) است که بر طراحی و ادغام فناوری‌های محاسبات کوانتومی، ارتباطات و سنجش برای این نسل جدید شبکه‌ها تمرکز دارد. باسلی که سرپرست گروه پژوهشی شبکه‌های ارتباط کوانتومی در «دانشگاه فنی درسدن»(TU Dresden) آلمان است، با شرکت‌های گوناگونی مانند «دویچه تلکوم»(Deutsche Telekom) و «اکونیک»(aconnic) همکاری می‌کند و در پروژه‌های اتحادیه اروپا مانند «Hexa-X-II» و «QIA» نیز مشارکت دارد.

اگرچه جزئیات هنوز مبهم هستند اما باسلی در مصاحبه اخیر با ادونسد ساینس نیوز، به این موضوع پرداخت که جهان متصل به ۶G ممکن است چگونه باشد و چالش‌های عملی را پیرامون اجرای این فناوری مورد بحث قرار داد.

ادونسد ساینس نیوز: حوزه تخصصی شما چیست؟

باسلی: زمانی که من دوره استادی خود را در دانشگاه درسدن آغاز کردم، ایده‌ام این بود که نقش فناوری‌های کوانتومی را در فعال‌سازی شبکه‌های نسل بعدی -6G- به تصویر بکشم. آیا محاسبات کوانتومی، سنجش کوانتومی یا فناوری‌های ارتباط کوانتومی می‌توانند در شبکه‌هایی که بین سال‌های ۲۰۳۰ تا ۲۰۴۰ خواهیم داشت، نقش داشته باشند؟ این پرسش اصلی بود که از ابتدا به سوی آن سوق داده شدم. تحقیقات من به طور ویژه بر دستیابی به تأخیر کم در شبکه‌های ارتباطی متمرکز هستند و در عین حال، الزامات پایداری و اعتماد حاصل از۶G  را برآورده می‌کنند.

ادونسد ساینس نیوز: ارتباطات کوانتومی چیست و چه تفاوتی با ارتباطات کلاسیک دارد؟

باسلی: در ارتباطات کلاسیک، شما عمدتا بیت‌های اطلاعات را به صورت امواج الکترومغناطیسی -یا امواج صوتی در ارتباطات زیر آب- ترسیم می‌کنید. در ارتباطات کوانتومی و محاسبات کوانتومی، شما اطلاعات را به صورت ویژگی‌های سیستم‌های اتمی و زیراتمی درمی‌آورید. به عنوان مثال، شما خواص یک ذره یا اسپین الکترون یا سطوح انرژی یک اتم را در نظر می‌گیرید.

ادونسد ساینس نیوز: فاصله رسیدن به 6G در این مقطع زمانی چقدر است؟

باسلی: معمولا یک دهه طول می‌کشد تا هر نسل از شبکه‌های بی‌سیم تلفن همراه توسعه یابد. استقرار 6G بین سال‌های ۲۰۳۰ و ۲۰۴۰ خواهد بود. در حال حاضر، مقدار کیوبیت‌های موجود در رایانه‌های کوانتومی محدود است اما تصور می‌شود که رایانه‌های کوانتومی در دهه آینده چند کیوبیت دیگر نیز در دسترس خواهند داشت. بررسی سطح آمادگی که فناوری‌های محاسبات کوانتومی می‌توانند طی پنج تا ۱۰ سال به آن برسند، برای درک کاربرد بالقوه بسیار مهم است.

ادونسد ساینس نیوز: چگونه 6G نسبت به 5G بهتر خواهد شد؟

باسلی: 5G  برای اولین بار پارادایم مجازی‌سازی را در شبکه‌های ارتباطی معرفی کرد. ایده این است که عملکردهای سخت‌افزاری نیز می‌توانند به صورت انتزاعی درآیند و به عنوان ماژول‌های نرم‌افزاری پیاده‌سازی شوند تا بتوان آنها را در هر گره شبکه محاسباتی -به عنوان مثال، یک سرور- اجرا کرد. این چشم انداز محاسبات فضای ابری و رایانش لبه‌ای است. در 6G، چشم‌انداز این است که زیرساخت‌های سخت‌افزاری به ‌طور کامل در یک به اصطلاح «پیوستار نرم‌افزاری» انتزاعی شوند تا بتوان آنها را به ‌صورت پویا و تطبیقی ​​توسط صفحه کنترل شبکه مدیریت کرد. این نرم‌افزار شبکه همان چیزی است که محاسبات را به یک پارادایم کلیدی در شبکه‌های ارتباطی -محاسبات درون‌شبکه‌ای- تبدیل می‌کند.

یک رکن دیگر، هوش درون‌شبکه‌ای است. این بدان معناست که از یادگیری ماشینی یا هوش مصنوعی نه تنها به عنوان یک سرویس، بلکه برای مدیریت و عملیات شبکه نیز استفاده شود. در مرحله بعد، ارتباطات معنایی از 6G برای بازسازی پارادایم‌های ارتباطی به منظور دستیابی به استفاده کارآمدتر از منابع ارتباطی پشتیبانی خواهند کرد.

در نهایت 6G  «شبکه شبکه‌ها» خواهد بود. این می‌تواند کمی فنی‌تر باشد. چشم‌انداز هدف 6G ، تحقق یک اکوسیستم از شبکه‌هاست که انواع فناوری‌های بی‌سیم و سیمی زمینی را با شبکه‌های غیرزمینی مانند ماهواره‌ها، پهپادها، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین و مواردی از این دست به هم متصل می‌کنند. این اکوسیستم، 6G  را قادر می‌سازد تا به طور یکپارچه به هر مکان روی زمین متصل شود.

ریکاردو باسلی

ادونسد ساینس نیوز: در مورد کدام قابلیت 6G بیشتر هیجان‌زده هستید؟

باسلی: هم‌گرایی تجربه حسی انسان، محیط، و جهان‌های مجازی در یک واقعیت ترکیبی. به عنوان مثال، برای توانمندسازی حضور از راه دور انسان. در مرحله بعد، کنترل از راه دور ربات‌ها و ماشین‌ها برای انجام دادن وظایف مشترک ویژه به طور یکپارچه که چندین زمینه را در صنعت، بهداشت و آموزش به طور قابل توجهی پیش خواهد برد.

ادونسد ساینس نیوز: فکر می‌کنید کدام حوزه‌ها به طور چشمگیری تحت تأثیر فناوری 6G  قرار خواهند گرفت؟

باسلی: 6G  کار در صنعت را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. یک کارگر قادر خواهد بود تا وظایف گوناگونی را با همکاری انواع ربات‌ها و ماشین‌ها انجام دهد و استرس فیزیکی کارگر را کمتر کند. مورد بعد، دموکراتیزه کردن مهارت‌ها و کارآمدتر، مؤثرتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن آنهاست. این نکات فقط برخی از مواردی هستند که ما در مرکز پژوهشی خود در نظر می‌گیریم. اینجاست که اینترنت لمسی یک نقش کلیدی را ایفا می‌کند.

ادونسد ساینس نیوز: اینترنت لمسی چیست؟ آیا این هم یکی از قابلیت‌های 6G  خواهد بود؟

باسلی: ایده‌ای که در دهه گذشته با 5G  آغاز شد، این بود که آیا می‌توانیم کنترل را به شبکه اضافه کنیم. آیا انسان می‌تواند یک ربات را از راه دور کنترل کند؟ برای انجام دادن این کار، نمی‌توان تنها به اطلاعات سمعی و بصری تکیه کرد، بلکه به انتقال حس لامسه نیز نیاز است. شما می‌توانید این توانایی را هنگام انجام دادن یک جراحی از راه دور یا کنترل از راه دور یک ربات در کارخانه تصور کنید. بدون داشتن بازخورد لمسی نمی‌توان این کار را انجام داد. این قطعا یک ستون اساسی برای «متاورس» خواهد بود که در آن، اشیای واقعی با اشیای مجازی به طور یکپارچه در یک محیط واقعیت ترکیبی تعامل خواهند داشت.

ادونسد ساینس نیوز: چالش‌های اصلی پیش روی اجرای فناوری 6G چیست؟

باسلی: چالش‌های بسیاری وجود دارد. فناوری 6G یک اکوسیستم از شبکه‌ها و فناوری‌هاست. شما باید اطمینان حاصل کنید که همه این فناوری‌ها به ‌طور یکپارچه با یکدیگر ادغام می‌شوند تا عملکردهای سرتاسری مورد نیاز را ارائه دهند.

ادونسد ساینس نیوز: چالش‌های عملی ادغام محاسبات کوانتومی با شبکه‌های بی‌سیم چیست؟

باسلی: اول از همه این که ما در حال حاضر یک فناوری استاندارد نداریم. به عنوان مثال، رایانه‌های کلاسیک به نوعی استانداردسازی شده‌اند. آنها از فناوری‌های خاصی استفاده می‌کنند که قبلا به روش خاصی کار می‌کردند. ما می‌توانیم این را به فناوری‌های ارتباطی نیز تعمیم دهیم. در محاسبات و ارتباطات کوانتومی نمی‌دانیم که آیا این فناوری‌ها در آینده مورد استفاده قرار خواهند گرفت یا خیر زیرا هنوز در حال بررسی عملکرد و قابلیت‌های آنها هستیم.

برای مثال، ما رایانه‌های کوانتومی گوناگونی را می‌بینیم که مبتنی بر فناوری‌های کاملا متفاوتی هستند اما نمی‌دانیم کدام فناوری برای برآوردن نیازهای شبکه‌های ارتباطی آینده بهترین خواهد بود. ما باید همه آنها را بررسی کنیم تا مزایا و محدودیت‌های آنها را ببینیم. این یکی از اهداف اصلی پروژه «QUARKS» ما با همکاری دانشمندان «دانشگاه فنی مونیخ»(TU Munich) است که توسط «وزارت آموزش و پژوهش فدرال آلمان»(BMBF) تامین مالی می‌شود.

ادونسد ساینس نیوز: آیا در این مرحله گزینه‌های پیشرو وجود دارند؟

باسلی: این یک کار در حال پیشرفت است. ما در حال حاضر نمی‌توانیم یک فناوری را از دیگری متمایز کنیم.

ادونسد ساینس نیوز: در حال حاضر رایانه‌های کوانتومی با ویژگی صرفه‌جویی در مصرف انرژی شناخته نشده‌اند. چگونه می‌توان کارآیی انرژی و پایداری رایانه‌های کوانتومی را افزایش داد؟

باسلی: یکی از شاخص‌های کلیدی عملکرد در 6G، بهره‌وری انرژی است. گاهی اوقات، راه‌حل‌هایی برای استفاده از برخی فناوری‌های کوانتومی پیشنهاد می‌شوند که یکی از معیارهای 6G  را هدف قرار می‌دهند اما نه همه آنها را به طور هم‌زمان. در6G ، ما باید به طور هم‌زمان معیارهای گوناگونی را برآورده کنیم که گاهی اوقات باعث ایجاد مبادلات مهم می‌شوند. به عنوان مثال، اگر می‌خواهید از امنیت و اعتماد بالا در شبکه اطمینان حاصل کنید، امنیت دارای یک بار محاسباتی و یک بار ارتباطی است که به انرژی بیشتری نیز نیاز دارد.

یک چالش مهم در به‌کارگیری محاسبات کوانتومی در شبکه‌ها، محاسبه مصرف انرژی پلتفرم‌های گوناگون به صورت شفاف و کامل با در نظر گرفتن انرژی واقعی مربوط به مبادلات با زمان محاسبات، قابلیت اطمینان و مقدار کیوبیت‌های محاسباتی واقعی است که می‌توانید ارائه دهید. در حال حاضر، بحث‌های مربوط به انرژی در محاسبات کوانتومی چندان رایج نیستند.

از سوی دیگر، آنچه من و گروهم سعی داریم انجام دهیم، ارزیابی محاسبات کوانتومی با در نظر گرفتن همه معیارهای عملکرد 6G است. از منظر مهندسی، این‌ها پرسش‌های مهمی هستند که باید به آنها پاسخ دهیم. موفقیت در مهندسی یک فناوری نه تنها به کیفیت فناوری، بلکه به کاربرد واقعی و مقیاس‌پذیری آن در بیرون از آزمایشگاه نیز مربوط می‌شود.

ادونسد ساینس نیوز: آیا محاسبات کوانتومی آن قدر پیشرفت خواهد کرد که تا سال ۲۰۳۰ در شبکه‌های 6G  ادغام شود؟

باسلی: انتشار 6G  در جامعه از سال ۲۰۳۰ آغاز خواهد شد و در طول دهه آینده رشد خواهد کرد. ایجاد اتصال شبکه در همه جا مستلزم سرمایه‌گذاری توسط عوامل صنعتی متفاوت در کشورهای گوناگون است.

من فکر می‌کنم ادغام محاسبات کوانتومی با 6G در نیمه دوم دهه -شاید از سال ۲۰۳۵ تا ۲۰۴۰- گسترده‌تر و تأثیرگذارتر خواهد بود. این امر بستگی زیادی به پیشرفت‌های حوزه پژوهش، صنعت و استانداردسازی این فناوری‌ها دارد. نقش محاسبات کوانتومی ممکن است تسریع سخت‌افزار مراکز محاسباتی کنونی باشد. با وجود این، پیشرفت در اثبات یک مزیت کوانتومی واقعی نیز نهفته است که فقط زمان محاسبه را در نظر نمی‌گیرد.

اگر با کمک محاسبات کوانتومی به هدف خود برای رسیدن به تأخیر کم دست یابیم، گمان می‌کنم که صنعت، سیستم آموزشی و سیستم‌های مراقبت‌های بهداشتی اولین بخش‌هایی باشند که سود می‌برند.