اتم‌های مصنوعی به کمک ارتباط کوانتومی فوق‌العاده امن در دنیای واقعی می‌آیند
رمزنگاری و انتقال امن داده‌ها مدت‌ها بر الگوریتم‌های پیچیده ریاضیاتی متکی بود که شکستن آن‌ها زمان بسیاری می‌برد. اما ظهور کامپیوترهای کوانتومی قدرت محاسباتی را افزایش داده است. آیا داده‌های ما ناگهان در معرض خطر قرار گرفته‌اند؟
محققانی از دانشگاه لایب‌نیتز هانوفر (LUH)، موسسه فنی-فیزیکی فدرال (PTB) در برانزویک، و دانشگاه اشتوتگارت روشی نوین برای ارتباط امن در عصر کوانتوم معرفی کرده‌اند.
این توسعه با استفاده از نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا و توزیع کلید کوانتومی (QKD) می‌تواند نحوه حفاظت از اطلاعات حساس را از تهدیدات سایبری دگرگون کند.
QKD چیست؟
توزیع کلید کوانتومی (QKD) روشی برای تبادل امن کلیدهای رمزنگاری بین دو طرف است. این روش از اصول مکانیک کوانتومی بهره می‌برد تا کلیدهایی تصادفی تولید کند که حتی توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز شکسته نشود.
QKD از فوتون‌های منفرد به عنوان حامل‌های کلیدهای کوانتومی استفاده می‌کند. هر گونه تلاش برای استراق سمع باعث ایجاد خطاهایی در سیگنال می‌شود که به سرعت شناسایی می‌شود. با این حال، محدودیت‌های منابع نور کوانتومی کنونی، ایجاد شبکه‌های بزرگ با QKD را دشوار کرده است.
تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسورهای فی دینگ، استفان کوک، و پیتر میشلر به نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا به عنوان منابع فوتون منفرد روی آوردند. این رویکرد به آن‌ها کمک کرد نرخ انتقال کلید امن بالایی را در فاصله‌ای ۴۹ مایلی (۷۹ کیلومتر) بین هانوفر و برانزویک به دست آورند.
پروفسور فی دینگ توضیح داد: «ما با نقاط کوانتومی کار می‌کنیم که ساختارهای کوچکی مشابه اتم‌ها هستند اما مطابق نیازهای ما تنظیم شده‌اند. برای اولین بار از این 'اتم‌های مصنوعی' در یک آزمایش ارتباط کوانتومی بین دو شهر مختلف استفاده کردیم. این تنظیم که به 'ارتباط کوانتومی نیدرزاکسن' معروف است، هانوفر و برانزویک را از طریق فیبر نوری متصل می‌کند.»
مکانیک QKD
ارتباط کوانتومی از ویژگی‌های کوانتومی نور برای اطمینان از امنیت پیام‌ها در برابر استراق سمع استفاده می‌کند. دینگ توضیح داد: «دستگاه‌های نقطه کوانتومی فوتون‌های منفرد ساطع می‌کنند که قطبش آن‌ها را کنترل کرده و برای اندازه‌گیری به برانزویک ارسال می‌کنیم.»
این تلاش مشترک با حمایت شورای تحقیقاتی اروپا (ERC)، وزارت فدرال آموزش و تحقیقات آلمان (BMBF)، و دیگر شرکا انجام شد. کار کنونی در چارچوب خوشه برتری QuantumFrontiers انجام شد.
دکتر جینگ‌ژانگ یانگ، نویسنده اول مطالعه، اظهار داشت: «تحلیل مقایسه‌ای با سیستم‌های QKD موجود که شامل منابع فوتون منفرد هستند، نشان می‌دهد که نرخ به دست آمده در این کار فراتر از تمام اجرائیات مبتنی بر SPS کنونی است. حتی بدون بهینه‌سازی بیشتر، به سطوح بدست آمده توسط پروتکل‌های QKD دولت فریب دوپ شده می‌رسد.»
آینده و کاربردها
یافته‌های تیم تحقیقاتی نویدآور آینده‌ای روشن برای نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا در ارتباطات کوانتومی است. علاوه بر فراهم کردن ارتباط امن، نقاط کوانتومی نیز امکان تکرارگرهای کوانتومی و حس‌گرهای کوانتومی توزیع شده را نیز فراهم می‌کنند.
آن‌ها امکان ذخیره داخلی اطلاعات کوانتومی را دارند و می‌توانند حالات خوشه‌ای فوتونی ساطع کنند. این قابلیت‌ها ادغام بدون درز منابع فوتون منفرد نیمه‌رسانا را در شبکه‌های ارتباطی کوانتومی بزرگ و با ظرفیت بالا وعده می‌دهد.
دینگ افزود: «چند سال پیش فقط خیال می‌کردیم که از نقاط کوانتومی در سناریوهای ارتباط کوانتومی دنیای واقعی استفاده کنیم. امروز از نشان دادن پتانسیل آن‌ها برای تجربه‌ها و کاربردهای بسیاری هیجان‌زده هستیم که در آینده به سمت 'اینترنت کوانتومی' حرکت می‌کنیم.»
جزئیات تحقیقات تیم در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است.
