دستیابی به ارتباطات کوانتومی فوق ایمن با «اتم‌های مصنوعی»

به گزارش ایسنا، رمزگذاری و انتقال ایمن داده مدت‌هاست که متکی بر الگوریتم‌های پیچیده ریاضی است که شکستن آنها خیلی طول می‌کشد. با این حال، ظهور رایانه‌های کوانتومی، قدرت محاسباتی را از این بند خارج کرده است. اما آیا داده‌های ما نیز آسیب‌پذیر شده‌اند؟

پژوهشگران دانشگاه لایبنیتز هانوفر موسسه فیزیکالیش تکنیک باندسانستالت در براونشویگ و دانشگاه اشتوتگارت روشی پیشگامانه برای ارتباطات ایمن در عصر کوانتومی معرفی کرده‌اند.

این توسعه از نقاط کوانتومی نیمه هادی و توزیع کلید کوانتومی(QKD) استفاده می‌کند و به طور بالقوه نحوه محافظت از اطلاعات حساس در برابر تهدیدات سایبری را متحول خواهد کرد.

توزیع کلید کوانتومی(QKD) چیست؟

توزیع کلید کوانتومی(QKD) روشی برای تبادل امن کلیدهای رمزگذاری بین دو طرف است. این رویکرد از اصول مکانیک کوانتومی برای تولید کلیدهای تصادفی استفاده می‌کند که شکستن آنها حتی توسط رایانه‌های کوانتومی نیز غیرممکن است.

توزیع کلید کوانتومی از فوتون‌های منفرد به عنوان حامل کلیدهای کوانتومی استفاده می‌کند و هرگونه تلاش برای رهگیری ارتباط باعث ایجاد خطا در سیگنال می‌شود که منجر به تشخیص فوری آن می‌شود. با این حال، محدودیت‌های منابع نور کوانتومی فعلی، ایجاد شبکه‌های بزرگ با QKD را با وجود بهینه‌سازی مداوم، چالش برانگیز کرده است.

اکنون یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور فی دینگ، استفان کوک و پیتر میشلر به نقاط کوانتومی نیمه هادی به عنوان منابع تک‌فوتونی روی آورده است. این رویکرد به آنها کمک کرد تا به نرخ انتقال کلید ایمن بالا در فاصله ۷۹ کیلومتری بین هانوفر و براونشویگ دست یابند.

پروفسور فی دینگ توضیح داد: ما با نقاط کوانتومی کار می‌کنیم که ساختارهای کوچکی شبیه به اتم‌ها اما متناسب با نیازهای ما هستند. ما برای اولین بار از این «اتم‌های مصنوعی» در یک آزمایش ارتباط کوانتومی بین دو شهر مختلف استفاده کردیم. این راه‌اندازی که به «پیوند کوانتومی نیدرساشن»(Niedersachsen) معروف است، هانوفر و براونشویگ را از طریق فیبر نوری به هم متصل می‌کند.

مکانیک QKD

ارتباطات کوانتومی از ویژگی‌های کوانتومی نور استفاده می‌کند تا اطمینان حاصل شود که پیام‌ها از رهگیری ایمن باقی می‌مانند.

دینگ توضیح داد: دستگاه‌های نقطه کوانتومی فوتون‌های منفرد ساطع می‌کنند که ما قطبش آن را کنترل کرده و برای اندازه‌گیری به براونشویگ می‌فرستیم.

این تلاش مشترک توسط شورای تحقیقات اروپا(ERC)، وزارت آموزش و تحقیقات فدرال آلمان(BMBF) و سایر شرکا حمایت شد.

دکتر جینگ‌ژانگ یانگ نویسنده اول این مطالعه اظهار داشت: تحلیل مقایسه‌ای با سیستم‌های QKD موجود که شامل منابع تک فوتونی است، نشان می‌دهد که SKR به دست آمده در این کار فراتر از همه پیاده‌سازی‌های فعلی مبتنی بر SPS است و حتی بدون بهینه‌سازی بیشتر، به سطوحی نزدیک می‌شود که توسط پروتکل‌های QKD حالت فریبنده مبتنی بر پالس‌های منسجم ضعیف به دست آمده است.

چشم انداز و برنامه‌های کاربردی

یافته‌های این تیم تحقیقاتی آینده‌ای امیدوارکننده را برای نقاط کوانتومی نیمه هادی در ارتباطات کوانتومی نشان می‌دهد.

نقاط کوانتومی علاوه بر تسهیل ارتباطات ایمن، پتانسیل تکرار کننده‌های کوانتومی و سنجش کوانتومی توزیع شده را نیز ارائه می‌دهند. آنها اجازه ذخیره ذاتی اطلاعات کوانتومی را می‌دهند و می‌توانند حالت‌های خوشه فوتونی را منتشر کنند.

این قابلیت‌ها ادغام یکپارچه منابع تک فوتون نیمه هادی را در شبکه‌های ارتباطی کوانتومی در مقیاس بزرگ و با ظرفیت بالا نوید می‌دهد.

دینگ افزود: چند سال پیش ما فقط رویای استفاده از نقاط کوانتومی را در سناریوهای ارتباطات کوانتومی دنیای واقعی در سر داشتیم و امروز ما از نشان دادن پتانسیل آنها برای آزمایش‌ها و کاربردهای جذاب‌تر در آینده و حرکت به سمت «اینترنت کوانتومی» هیجان‌زده هستیم.

جزئیات این پژوهش در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است.