علمی، پژوهشی و فناوری

دستیابی به ارتباطات کوانتومی فوق امن با «اتم‌های مصنوعی»

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : رمزگذاری و انتقال امن داده‌ها برای مدت طولانی متکی بر الگوریتم‌های پیچیده ریاضی بوده است که شکستن آنها خیلی طول می‌کشد. با این حال، ظهور کامپیوتر‌های کوانتومی، قدرت محاسباتی را از بند خارج کرده است. با این وجود آیا داده‌های ما به طور ناگهانی آسیب پذیر هستند؟

محققان دانشگاه لایبنیتز هانوفر (LUH)، در براونشوایگ و دانشگاه اشتوتگارت روشی پیشگامانه برای ارتباطات ایمن در عصر کوانتومی معرفی کرده اند.

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 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 کامپیوتر‌های کوانتومی غیرممکن است.  

توزیع کلید کوانتومی از فوتون‌های منفرد به عنوان حامل کلید‌های کوانتومی استفاده می‌کند. هر گونه 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 توزیع کلید کوانتومی را با وجود بهینه‌سازی مداوم، چالش برانگیز کرده است.

تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور‌های فی دینگ، استفان کوک و پیتر میشلر به نقاط کوانتومی نیمه هادی به عنوان منابع تک فوتون روی آوردند. این رویکرد به آنها کمک کرد تا به نرخ انتقال کلید ایمن بالا در فاصله ۴۹ مایلی (۷۹ کیلومتری) بین هانوفر و براونشوایگ دست یابند.

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

تسهیل ارتباطات ایمن با ظرفیت نقاط کوانتومی

ارتباطات کوانتومی از ویژگی‌های کوانتومی نور استفاده می‌کند تا مطمئن 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 براونشوایگ می‌فرستیم.

یافته‌های تیم تحقیقاتی آینده امیدوارکننده‌ای را برای نقاط کوانتومی نیمه هادی در ارتباطات کوانتومی نشان می‌دهد. علاوه بر تسهیل ارتباطات ایمن، نقاط کوانتومی ظرفیت 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.

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

جزئیات تحقیقات این تیم در مجله «Light: Science & Applications» منتشر شد.