في خطوة جديدة نحو تحقيق الاتصالات الكمومية الآمنة، تمكن الباحثون من إرسال مفاتيح كمومية على مسافة تصل إلى 62 ميلاً دون الاعتماد على أجهزة موثوقة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال.
الباحثون يرسلون مفاتيح كمومية آمنة على مسافة 62 ميلاً عبر الألياف الضوئية
يمكن أن يمكّن الاتصال الكمومي نقل المعلومات بشكل غير قابل للاختراق، ولكن معظم الطرق تعتمد على أجهزة موثوقة. وقد أظهر الباحثون الآن أن طريقة جديدة تتخلص من هذا الشرط الصعب يمكن أن تعمل على مسافات تصل إلى 62 ميلاً.
أمان الاتصال الكمومي
تتمثل إحدى الوعود الرئيسية لإنترنت الكم المستقبلي في الاتصال الآمن القابل للإثبات. ويرجع ذلك إلى إحدى خصائص الفيزياء الكمومية: إن مراقبة حالة كمومية تغيرها حتمًا. لذا إذا حاول أي شخص اعتراض وقراءة رسالة مشفرة في حالات الكم من الجسيمات، فإنه سيغيرها في هذه العملية، مما ينبه المستلم إلى الخرق.
توزيع المفاتيح الكمومية
تكون سرعات الاتصال الكمومي بطيئة جدًا لنقل كميات كبيرة من المعلومات، لذا تعتمد معظم المخططات على نهج يُعرف بتوزيع المفاتيح الكمومية. يتضمن ذلك استخدام قناة الاتصال الكمومية لمشاركة مفتاح تشفير بين طرفين، يستخدمونه لترميز وفك تشفير الرسائل المرسلة عبر الشبكات التقليدية.
كانت هناك عروض مثيرة للإعجاب لإمكانيات هذه التكنولوجيا، بما في ذلك جهد أرسل المفاتيح لأكثر من 8000 ميل عبر الأقمار الصناعية وآخر نقلها لأكثر من 620 ميلًا عبر الألياف الضوئية. لكن هذه الإنجازات استخدمت مخططات اتصال تعتمد على ضمانات بأن الأجهزة المستخدمة لم يكن بها أي عيوب تقنية ولم يتم العبث بها، وهو ما يصعب ضمانه.
البحث الجديد من الصين
أظهر بحث جديد من خبير الاتصالات الكمومية في الصين، جيان-وي بان، الذي كان أيضًا وراء الأبحاث السابقة التي حطمت الأرقام القياسية، القدرة على نقل المفاتيح بأمان على مسافة تزيد عن 62 ميلاً حتى لو كانت المعدات المستخدمة مُعرضة للخطر.
“إن عرض توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة على نطاق حضري يساعد في سد الفجوة بين تجارب الشبكات الكمومية المثبتة والممارسات الواقعية”، كتب الباحثون في ورقة تقرير النتائج في ساينس.
النهج المستقل عن الأجهزة
ترسل معظم مخططات توزيع المفاتيح الكمومية الفوتونات التي تشفر المعلومات الكمومية عبر سلسلة من الموزعات الموثوقة. على النقيض من ذلك، يستخدم النظام المستقل عن الأجهزة زوجًا من الفوتونات المتشابكة، يبقى أحدهما مع المرسل بينما يُرسل الآخر إلى المستلم.
من خلال إجراء سلسلة من القياسات على الفوتونات المتشابكة وخضوعها لاختبار إحصائي، يمكن للمرسل والمستلم التحقق مما إذا كانت الجسيمات متشابكة حقًا ثم استخدام البيانات لاستخراج مفتاح سري يمكنهما الوصول إليه فقط. ومن المهم أن هذه الطريقة لا تعتمد على افتراضات حول الأجهزة المستخدمة لإنتاج النتائج.
التحديات والابتكارات
لكن النظام واجه صعوبة في التوسع لأنه يفرض متطلبات صارمة على الكفاءة التي يتم بها اكتشاف الجسيمات الكمومية وقوة تشابكها. أي فقدان أو ضوضاء يمكن أن يقوض الأمان، لذا كانت التجارب السابقة تعمل فقط على مسافات تصل إلى بضع مئات من الأقدام.
لتحقيق نتائجهم الأخيرة، استخدم فريق بان عقدين شبكيين، يتكون كل منهما من ذرة روبيديوم فردية محاصرة بواسطة الليزر. يتم ترميز هذه الذرات في حالة كمومية محددة ثم تُثار لإنتاج فوتون متشابك. تُرسل الفوتونات من كل عقدة عبر الألياف الضوئية إلى عقدة ثالثة حيث تتداخل مع بعضها البعض وتتشابك الذرتان.
في سلسلة من الابتكارات، حسّن الفريق إنشاء وقياس الذرات المتشابكة. أدت التغييرات إلى تشابك موثوق يزيد عن 90 بالمئة حتى على مسافات تصل إلى 62 ميلاً.
معدل المفتاح الإيجابي
هذا مكنهم من إنتاج معدل مفتاح إيجابي – وهو ضمان أساسي بأن البروتوكول ينتج بتات سرية تشكل المفتاح بشكل أسرع مما يجب التخلص منه بسبب الأخطاء أو الضوضاء أو الاعتراض من قبل خصم – حتى أقصى مسافة اختبروها.
عادةً ما يعتمد حساب معدل المفتاح الإيجابي على افتراض أن النظام يمكنه إرسال كمية غير محدودة من البيانات وبالتالي لا يضمن دائمًا أن المخطط سيكون عمليًا. لكن الباحثين اختبروا أيضًا كيفية عمل بروتوكولهم عندما يكون مقيدًا بكمية محدودة من البيانات ووجدوا أنه يمكنه نقل مفتاح آمن على مسافة تصل إلى سبعة أميال تقريبًا.
التقدم في الأبحاث الكمومية
قال ستيف رولستون، فيزيائي كمومي في جامعة ماريلاند، كوليدج بارك، لصحيفة ساوث تشاينا مورنينغ بوست إن هذا العمل يمثل تقدمًا كبيرًا مقارنة بالجهود السابقة. ومع ذلك، أشار أيضًا إلى أن معدلات البيانات لا تزال “صغيرة للغاية” – حيث تنتج أقل من بت واحد من المفتاح الآمن كل 10 ثوانٍ. كما تم إجراء الاختبارات على لفة من الألياف في مختبر بدلاً من شبكات الاتصالات الواقعية المعرضة للضوضاء البيئية وتقلبات درجة الحرارة التي يمكن أن تعطل الحالات الكمومية.
ومع ذلك، تمثل النتائج علامة فارقة مهمة. من خلال إثبات توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة على مسافات حضرية، تُظهر الدراسة أن أقوى شكل معروف من الاتصال الكمومي الآمن لم يعد مقصورًا على التجارب على الطاولة.
تشير هذه النتائج إلى أن مستقبل الاتصالات الكمومية قد يكون أكثر إشراقًا، حيث يمكن تحقيق أمان أكبر في نقل المعلومات عبر مسافات طويلة دون الحاجة إلى الاعتماد على الأجهزة الموثوقة.
