اولین سفر ۲۵۰ کیلومتری مطلب‌های کوانتومی غیر قابل هک در دمای عادی_آینده

آیا ما برای آن روز آماده‌ایم که رایانه‌های کوانتومی قادر به هک کردن همه رمزهای عبور اینترنت شوند؟

کارشناسان امنیت سایبری زیاد تر هشدار می دهند که لحظه‌ای به نام «روز کوانتوم»(Q-Day) نزدیک است؛ روزی که رایانه‌های کوانتومی به قدر کافی قوی خواهد شد تا همه راه حلهای رمزگذاری را که ما اکنون برای نگه داری امنیت اطلاعات خود به آنها متکی هستیم، بشکنند.

«روز کوانتوم» یک موقعیت خیالی نیست، بلکه یک تهدید در دنیای واقعی است که می‌تواند اینترنت و زیرساخت دیجیتال جهانی را مختل کند.

سازمان‌های گوناگون دولتی و سازمان‌های خصوصی اکنون اقداماتی را برای مقاومت در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی قوی انجام خواهند داد. این عمل های شامل گسترش راه حلهای رمزگذاری تازه طراحی شده برای مقاومت در برابر حملات کوانتومی و این چنین کاوش تکنیک‌هایی همانند توزیع کلید کوانتومی(QKD) برای ایمن‌سازی ارتباطات در سطح اساسی است.

به تازگی گروهی از محققان از شرکت «توشیبا اروپا» با پیروزی مطلب‌ها را در طول ۲۵۴ کیلومتر(۱۵۸ مایل) زیرساخت فیبر نوری حاضر با منفعت گیری از رمزنگاری QKD مخابره کردند. این چنین شاهکاری برای اولین بار به دست آمده است.

علاوه بر این، این روش برخلاف تنظیمات معمولی ربط کوانتومی به یک سیستم برودتی یا لیزر پیشرفته و با فناوری پیشرفته نیاز نداشت.

میرکو پیتالوگا(Mirko Pittaluga)، یکی از محققان این تیم در مصاحبه‌ای او گفت: این کار پنجره‌ای را به روی شبکه‌های کوانتومی عملی بدون نیاز به سخت افزارهای شگفت و غریب باز می‌کند.

یک رویکرد عملی برای تحقق ربط کوانتومی

محققان برای دستیابی به مطلب‌های کوانتومی از راه دور، شبکه‌ای را در ۲۵۴ کیلومتر فیبر نوری تجاری در آلمان راه‌اندازی کردند که مراکز داده در فرانکفورت و کِل(Kehl) را با یک رله مرکزی در کیرچ‌فلد(Kirchfeld) مرتبط می‌کند.

در زیاد تر سیستم‌های ارتباطی کوانتومی، هماهنگ نگه داشتن امواج نور در فواصل طویل به لیزرهای پایدار نیاز دارد. با این حال، محققان به جای منفعت گیری از لیزرهای گران‌قیمت فوق پایدار، از روش ساده‌تری منفعت گیری کردند.

گره مرکزی در «کیرچ‌فلد» پرتوهای لیزر را به فرانکفورت و کِل فرستاد و یک مرجع مشترک را فراهم کرد. این به محققان این امکان را داد که بدون نیاز به تجهیزات زیاد تخصصی، حالت‌های نور را به طور مؤثری هماهنگ کنند.

سیستم‌های سنتی برای تشخیص سیگنال‌های کوانتومی ضعیف، طبق معمولً به آشکارسازهای نانوسیمی ابررسانا متکی می باشند که زیاد حساس می باشند، اما به واحدهای خنک‌کننده برودتی پرهزینه و حجیم نیز نیاز دارند. این تیم در عوض از «فتودیودهای بهمنی» منفعت گیری کرد که دستگاه‌های نیمه هادی می باشند که قادر به تشخیص تک‌فوتون می باشند.

فوتودیود یا دیود نوری بهمنی(avalanche photodiode)، نوعی فوتودیود زیاد حساس است که با منفعت گیری از تاثییر فوتوالکتریک، نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند.

«فتودیودهای بهمنی» زیاد ارزان‌تر می باشند و در دمای اتاق کار می‌کنند، اما کارایی کمتری دارند و زیاد تر مستعد تشخیص‌های نادرست می باشند.

محققان برای تسلط بر این محدودیت‌ها، یک پالس لیزر مرجع همراه با داده‌های کوانتومی ارسال کردند و دو مجموعه «فتودیود بهمنی» را در هر ایستگاه دریافت کننده نصب کردند.

یک مجموعه با ارتباطات کوانتومی ارتباط داشت، در حالی که مجموعه دیگر، سیگنال‌های مرجع را زیر نظر داشت. این راه‌اندازی به تصحیح خطاهای ناشی از لرزش، تغییرات دما و دیگر اختلالات در کابل‌های فیبر نوری پشتیبانی کرد.

همه این تکنیک‌های هوشمندانه به محققان این امکان را داد تا QKD را در یک شبکه فیبر نوری ۲۵۴ کیلومتری با پیروزی نشان دهند که دو برابر مسافت بدست‌آمده در آزمایش‌های قبلی است.

اگرچه اکنون این سیستم قادر است داده‌ها را تنها با شدت ۱۱۰ بیت در ثانیه ارسال کند، اما هم چنان یک پیشرفت قابل دقت برای چیزی است که وقتی فکر می‌شد غیرممکن است.

مرحله بعدی؛ افزایش شدت و مقیاس

محققان می‌گویند افزایش شدت داده بیشتر از ۱۱۰ بیت در ثانیه مقصد بزرگ بعدی است و یک راه ساده برای انجام این کار، رمزگذاری سریعتر سیستم است.

به گفتن مثال اکنون، در فرکانس ۵۰۰ مگاهرتز کار می‌کند که با منفعت گیری از فناوری حاضر، می‌توان آن را تا چند گیگاهرتز افزایش داد. این کار به تنهایی می‌تواند شدت انتقال داده را تا نزدیک به ۱۰ برابر افزایش دهد.

علاوه بر این، محققان این چنین بر روی ساخت تکرار کننده‌های کوانتومی کار می‌کنند که دستگاه‌های اختصاصی‌ای می باشند که می‌توانند از تلفات سیگنال جلوگیری کنند و فاصله و شدت مطلب‌های کوانتومی را زیاد تر کنند.

امیدواریم تحقیقات زیاد تر به دانشمندان پشتیبانی کند تا به زودی همه این اهداف را محقق کنند و به ساخت یک دنیای دیجیتالی امن‌تر، قبل از رسیدن به «روز کوانتوم» پشتیبانی کنند.

این مطالعه در مجله Nature انتشار شده است.