گامی به سوی اینترنت کوانتومی؛ ارسال کلیدهای غیرقابل هک در فاصله ۱۲۰ کیلومتری_آفتاب شرق

محققان آلمانی و چینی موفق شدند با فناوری نقاط کوانتومی، کلیدهای رمزنگاری غیرقابل هک را در فواصل طویل انتقال دهند. به عبارت دقیق‌تر، آنها توانستند یک سیستم توزیع کلید کوانتومی (QKD) را طراحی کنند که می‌تواند سیگنال‌های امن را در بستری از فیبر نوری به طول بیشتر از ۱۲۰ کیلومتر با پایداری بی‌نظیری منتقل ‌کند. این دستاورد یکی از بزرگ‌ترین مسائل اینترنت کوانتومی یعنی نگه داری ارامش اتصال در فواصل زیاد را رفع می‌کند.

جادوی مهم این سیستم تازه، منفعت گیری از قطعات زیاد ریزی به نام «نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا» است. این نقاط را همانند چراغ‌قوه‌هایی فکر کنید که می‌توانند دقیقاً یک ذره نور یا همان فوتون منفرد را تشکیل کنند. اهمیت این نوشته در این است که هنگامی شما بتوانید فوتون‌ها را یکی‌یکی و با دقت کنترل کنید، شدت ساخت کلیدهای رمزنگاری امن زیاد بالا می‌رود. علاوه‌براین، این قطعات سنگ‌بنایی برای ساخت «تکرارکننده‌های کوانتومی» می باشند که در آینده نقشی همانند به مودم‌ها یا تحکیم‌کننده‌های اینترنت جاری را خواهند داشت تا بتوانیم شبکه کوانتومی را در ابعاد کل جهان گسترش دهیم.

اما چالش بزرگ این است که لرزش زمین، تحول دما یا حتی تکان‌خوردن کابل‌های فیبر نوری علتمی‌شود مطلب‌های کوانتومی در راه خراب شوند. دانشمندان برای حل این مشکل از ترفند جالبی به نام «کدگذاری بازه‌وقتی» منفعت گیری کردند. در این روش، اطلاعات به‌جای این که در ویژگی‌های حساس فیزیکی فوتون ذخیره شود، در «زمان دقیق رسیدن» فوتون‌ها به مقصد جاسازی می‌شود.

ارسال کلیدهای کوانتومی غیرقابل هک در فاصله ۱۲۰ کیلومتری

در این آزمایش، پژوهشگران از دستگاهی به نام «کدگذار بازه-وقتی خود-پایدار» (Self-stabilized Time-bin Encoder) منفعت گیری کردند تا حالت‌های گوناگون واحد اطلاعات کوانتومی یا همان کیوبیت را بسازند. نور تولیدشده که در محدوده فرکانس‌های استاندارد مخابراتی یعنی باند مخابراتی C می بود، داخل کابل فیبر نوری شد. بعد از طی مسافت طویل ۱۲۰ کیلومتری، این مطلب‌ها توسط یک دستگاه گیرنده به نام تداخل‌سنج خوانده و رمزگشایی شدند. درحالی‌که سیستم‌های قدیمی نیاز داشتند هر چند دقیقه یک‌بار توسط انسان مجدد تنظیم شوند، این سیستم به علت پایداری بالای تداخل‌سنج به کار رفته در آن، توانست بیشتر از ۶ ساعت بدون هیچ دخالتی و به طور کاملاً خودکار به کار خود ادامه دهد.

نتیجه کار شگفت‌انگیز می بود؛ با وجود فاصله زیاد زیاد، میانگین نرخ خطای بیت کوانتومی زیر ۱۱ درصد باقی ماند. این یعنی سیستم توانست در هر ثانیه نزدیک به ۱۵ بیت کلید امن تشکیل کند. احتمالا این عدد کوچک به نظر برسد، اما برای رمزگذاری کامل مطلب‌های متنی در سطح امنیت نظامی و بانکی، کافی و کاربردی است.

دانشمندان می‌گویند با منفعت گیری از اتفاق‌ای به نام تحکیم Purcell که علتدرخشان‌ترشدن فوتون‌ها می‌شود، اکنون این قوت را دارند که این ارتباطات را بین شهرهای گوناگون برقرار کنند. درکل این دستاورد ثابت می‌کند که می‌توان این تکنولوژی پیچیده را از آزمایشگاه خارج و در دنیای واقعی منفعت گیری کرد تا درنهایت به یک شبکه ارتباطی بزرگی دست یافت که هیچ هکری در جهان نتواند به آن نفوذ کند.

یافته‌های این پژوهش در ژورنال Light: Science & Applications انتشار شده است.