باز کردن اینترنت کوانتومی: آزمایش جدید آلمان معیارهای جهانی را تعیین می‌کند

دانشمندان در آلمان نخستین آزمایش توزیع کلید کوانتومی بین شهری را با استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان منابع فوتون‌های تکی انجام داده‌اند و ارتباط امن را از طریق یک لینک فیبر نوری ۷۹ کیلومتری نشان داده‌اند. این پیشرفت راه را برای فناوری‌های اینترنت کوانتومی قوی‌تر و کاربردهای آینده هموار می‌کند.

روش‌های رمزنگاری سنتی به الگوریتم‌های ریاضی پیچیده و محدودیت‌های قدرت محاسباتی کنونی وابسته‌اند، اما با ظهور کامپیوترهای کوانتومی، این روش‌ها به طور فزاینده‌ای آسیب‌پذیر می‌شوند، که نیاز به توزیع کلید کوانتومی (QKD) را به وجود می‌آورد.

توزیع کلید کوانتومی (QKD) فناوری است که از ویژگی‌های منحصر به فرد فیزیک کوانتوم برای ایمن‌سازی انتقال داده‌ها استفاده می‌کند. این روش به طور مداوم بهینه‌سازی شده است، اما برقراری شبکه‌های بزرگ به دلیل محدودیت‌های منابع نور کوانتومی موجود چالش‌برانگیز بوده است.

در مقاله‌ای که به تازگی در نشریه Light: Science & Applications منتشر شده است، تیمی از دانشمندان آلمانی به رهبری پروفسور فِی دینگ از دانشگاه لایپزیگ (LUH)، پروفسور استفان کُک از موسسه فیزیک و فناوری (PTB)، پروفسور پیتر میکلر از دانشگاه اشتوتگارت و سایر همکارانشان، نخستین آزمایش QKD بین شهری را با استفاده از منبع فوتون‌های تکی انجام داده‌اند و نحوه محافظت از اطلاعات محرمانه را در برابر تهدیدات سایبری به انقلابی تبدیل کرده‌اند.

نقاط کوانتومی نیمه‌هادی (QDs)، که به عنوان اتم‌های مصنوعی در دنیای کوانتوم شناخته می‌شوند، پتانسیل بالایی برای تولید نور کوانتومی مورد استفاده در فناوری‌های اطلاعات کوانتومی دارند. این پیشرفت نشان‌دهنده امکان استفاده از منابع فوتون‌های تکی نیمه‌هادی برای اینترنت کوانتومی امن در دنیای واقعی است.

پروفسور فِی دینگ توضیح داد: “ما با نقاط کوانتومی کار می‌کنیم که ساختارهای کوچکی شبیه به اتم‌ها هستند اما به نیازهای ما تنظیم شده‌اند. برای اولین بار از این ‘اتم‌های مصنوعی’ در یک آزمایش ارتباط کوانتومی بین دو شهر مختلف استفاده کردیم. این سیستم، که به عنوان ‘لینک کوانتومی نیدرزاکسن’ شناخته می‌شود، هانوفر و براونشویگ را از طریق فیبر نوری به هم متصل می‌کند.”

آزمایش بین شهری در ایالت فدرال نیدرزاکسن آلمان انجام شد، که در آن یک فیبر نوری به طول حدود ۷۹ کیلومتر، دانشگاه لایپزیگ (LUH) و موسسه فیزیک و فناوری (PTB) براونشویگ را به هم متصل می‌کند. در LUH، فوتون‌های تکی که به صورت استاتیک آماده شده‌اند و در قطبش رمزگذاری شده‌اند، و در PTB، کدک قطبش غیرفعال برای رمزگشایی حالت‌های قطبش فوتون‌های تکی دریافتی از طریق کانال‌های کوانتومی فیبر نوری استفاده می‌شود. این همچنین نخستین لینک ارتباطات کوانتومی در نیدرزاکسن آلمان است.

آن‌ها ابتدا تأیید کردند که نرخ‌های کلید مخفی مثبت (SKRs) برای فاصله‌های تا ۱۴۴ کیلومتر که معادل ۲۸.۱۱ دسی‌بل افت است، قابل دستیابی است. نرخ بالای انتقال کلید مخفی با نسبت خطای کوانتومی (QBER) پایین برای ۳۵ ساعت با استفاده از این لینک فیبر نوری تضمین شد.

دکتر جینگ‌ژونگ یانگ، نویسنده اول این کار، گفت: “تحلیل مقایسه‌ای با سیستم‌های QKD موجود که شامل SPS است، نشان می‌دهد که SKR حاصل در این کار فراتر از تمام پیاده‌سازی‌های فعلی مبتنی بر SPS است. حتی بدون بهینه‌سازی بیشتر منبع و عملکرد سیستم، نزدیک به سطوحی است که با پروتکل‌های QKD بر پایه پالس‌های ضعیف همدوس به دست آمده است.”

محققان حدس می‌زنند که نقاط کوانتومی همچنین افق‌های گسترده‌ای برای تحقق سایر کاربردهای اینترنت کوانتومی، مانند تقویت‌کننده‌های کوانتومی و سنجش کوانتومی توزیع‌شده، ارائه دهند، زیرا آن‌ها امکان ذخیره ذاتی اطلاعات کوانتومی را فراهم می‌کنند و می‌توانند حالت‌های خوشه‌ای فوتونی تولید کنند. نتیجه این کار تأیید می‌کند که ادغام منابع فوتون‌های تکی نیمه‌هادی در شبکه‌های ارتباطی کوانتومی واقعی، بزرگ‌مقیاس و با ظرفیت بالا امکان‌پذیر است.

نیاز به ارتباطات امن به اندازه خود انسان‌ها قدیمی است. ارتباطات کوانتومی از ویژگی‌های کوانتومی نور برای اطمینان از اینکه پیام‌ها نمی‌توانند شنود شوند استفاده می‌کند. پروفسور دینگ گفت: “دستگاه‌های نقطه کوانتومی فوتون‌های تکی منتشر می‌کنند که ما آن‌ها را کنترل کرده و به براونشویگ برای اندازه‌گیری ارسال می‌کنیم. این فرآیند برای توزیع کلید کوانتومی اساسی است.” او از نتیجه این تلاش مشترک ابراز خوشحالی کرد: “چند سال پیش، فقط در خواب می‌دیدیم که از نقاط کوانتومی در سناریوهای ارتباط کوانتومی واقعی استفاده کنیم. امروز، بسیار خوشحالیم که پتانسیل آن‌ها را برای آزمایشات و کاربردهای جالب‌تر در آینده، به سمت ‘اینترنت کوانتومی’، نشان دهیم.”