گامی به سوی اینترنت کوانتومی؛ ارسال موفق کلیدهای غیرقابل هک در فاصله ۱۲۰ کیلومتری

محققان آلمانی و چینی موفق شدند با فناوری نقاط کوانتومی، کلیدهای رمزنگاری غیرقابل هک را در فواصل طولانی 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 بیش از ۱۲۰ کیلومتر با پایداری بی‌نظیری منتقل ‌کند. این دستاورد یکی از بزرگ‌ترین مسائل اینترنت کوانتومی یعنی حفظ ثبات اتصال در فواصل زیاد را برطرف می‌کند.

جادوی اصلی این سیستم جدید، استفاده از قطعات بسیار ریزی به نام «نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا» است. این نقاط را مثل چراغ‌قوه‌هایی تصور کنید که می‌توانند دقیقاً یک ذره نور یا همان فوتون منفرد را تولید کنند. اهمیت این موضوع در این است که وقتی شما بتوانید فوتون‌ها را یکی‌یکی و با دقت کنترل کنید، سرعت ساخت کلیدهای رمزنگاری امن بسیار بالا می‌رود. علاوه‌براین، این قطعات سنگ‌بنایی برای ساخت «تکرارکننده‌های کوانتومی» هستند که در آینده نقشی شبیه به مودم‌ها یا تقویت‌کننده‌های اینترنت فعلی را خواهند داشت تا بتوانیم شبکه کوانتومی را در ابعاد کل جهان گسترش دهیم.

اما چالش بزرگ این است که لرزش زمین، تغییر دما یا حتی تکان‌خوردن کابل‌های فیبر نوری باعث می‌شود پیام‌های کوانتومی در راه خراب شوند. دانشمندان برای حل این مشکل از ترفند جالبی به نام «کدگذاری بازه‌زمانی» استفاده کردند. در این روش، اطلاعات به‌جای اینکه 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-زمانی خود-پایدار» (Self-stabilized Time-bin Encoder) استفاده کردند تا وضعیت‌های مختلف واحد اطلاعات کوانتومی یا همان کیوبیت را بسازند. نور تولیدشده که در محدوده فرکانس‌های استاندارد مخابراتی یعنی باند مخابراتی C بود، وارد کابل فیبر نوری شد. پس از طی مسافت طولانی ۱۲۰ کیلومتری، این پیام‌ها توسط یک دستگاه گیرنده به نام تداخل‌سنج خوانده و رمزگشایی شدند. درحالی‌که سیستم‌های قدیمی نیاز داشتند هر چند دقیقه یک‌بار توسط انسان دوباره تنظیم شوند، این سیستم به دلیل پایداری بالای تداخل‌سنج به کار رفته در آن، توانست بیش از ۶ ساعت بدون هیچ دخالتی و به صورت کاملاً خودکار به کار خود ادامه دهد.

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

دانشمندان می‌گویند با استفاده از پدیده‌ای به نام تقویت Purcell که باعث درخشان‌ترشدن فوتون‌ها می‌شود، حالا این قدرت را دارند که این ارتباطات را بین شهرهای مختلف برقرار کنند. درکل این دستاورد ثابت می‌کند که می‌توان این تکنولوژی پیچیده را از آزمایشگاه خارج و در دنیای واقعی استفاده 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 منتشر شده است.