حقق الباحثون في الصين إنجازًا كبيرًا في توزيع المفاتيح الكمومية من الفضاء إلى الأرض (QKD) من خلال عرض محطة QKD وظيفية بنصف كتلة النظام السابق. بعد إرسال المحطة الجديدة إلى الفضاء لتدور حول الأرض على متن مختبر الفضاء Tiangong-2، العلماء في مختبر خفى الوطني و جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين أجرت (USTC) سلسلة من 19 تجربة في الفترة ما بين 23 أكتوبر 2018 و13 فبراير 2019، نجحت في نقل المفاتيح الكمومية بين القمر الصناعي وأربع محطات على الأرض في 15 يومًا منفصلاً.
مثل محطات QKD الأخرى، يعتمد الجهاز في هذه الدراسة على السلوك الكمي للضوء لإنشاء أنواع مفاتيح التشفير اللازمة لحماية البيانات. "يستخدم QKD الوحدة الأساسية للضوء - الفوتونات المفردة - لتشفير المعلومات بين مستخدمين بعيدين"، يوضح جيان وي بان، الفيزيائي في جامعة USTC والمؤلف المشارك لورقة بحثية حول البحث في بصريات. "على سبيل المثال، يمكن لجهاز الإرسال تشفير المعلومات بشكل عشوائي حول حالات استقطاب الفوتونات، مثل الأفقي أو الرأسي أو الخطي +45 درجة أو الخطي -45 درجة. في جهاز الاستقبال، يمكن إجراء فك تشفير حالة استقطاب مماثل، ويمكن الحصول على المفاتيح الأولية. وبعد تصحيح الأخطاء وتعزيز الخصوصية، يمكن استخراج المفاتيح الآمنة النهائية.
أمان مقاوم للمستقبل
تعد محطة QKD الجديدة والمصغرة بمثابة أخبار جيدة للمستخدمين ذوي المتطلبات الأمنية العالية. على الرغم من أن التشفير التقليدي بالمفتاح العام يعد حاليًا أحد أفضل وسائل التشفير، إلا أنه يعتمد على حقيقة أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لا يمكنها ببساطة حل مشكلات معينة في فترة زمنية معقولة. ومع ذلك، فإن هذه الوظائف الرياضية المستعصية لا تعمل إلا إذا كان المتسلل يستخدم جهاز كمبيوتر كلاسيكي. وكما يشير بان، يمكن ببساطة استخدام الكمبيوتر الكمي في المستقبل خوارزمية شوور للقضاء حتى على أفضل أساليب التشفير الحالية.
إذا تمكنت أجهزة الكمبيوتر الكمومية من كسر التشفير الكلاسيكي، فسيكون أحد الحلول الممكنة هو استخدام التشفير الكمي بدلاً من ذلك، عندما يكون ذلك ممكنًا. يقول بان: "يوفر نظام QKD حلاً آمنًا للمعلومات لمشكلة التبادل الرئيسية". "تنص نظرية عدم الاستنساخ الكمي على أنه لا يمكن استنساخ حالة كمية غير معروفة بشكل موثوق. إذا حاول المتنصت التنصت على QKD، فإنه سيسبب حتمًا اضطرابًا في الإشارات الكمومية، والتي سيتم اكتشافها بعد ذلك من قبل مستخدمي QKD.
بول كوياتيضيف عالم الفيزياء في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين بالولايات المتحدة، والذي لم يشارك في البحث، أن أي هجمات على QKD يجب أن تتم في وقت الإرسال. "وبهذا المعنى، يوصف أحيانًا QKD بأنه "دليل مستقبلي" - لا يهم ما هي القوة الحسابية التي يطورها بعض الخصوم بعد 10 سنوات من الآن (وهو أمر مهم بالنسبة لتشفير المفتاح العام)؛ كل ما يهم هو القدرات التي يتمتع بها المتنصت عندما يتم توزيع المفتاح الكمي في البداية. يقود قسم الاتصالات الكمومية at س التالي، وهو اتحاد بحثي يركز على تحديات المعلومات الكمومية.
الحد من ضوء النهار
في حين تم إجراء أعمال QKD السابقة باستخدام جهاز مختلف على القمر الصناعي Micius، فقد تمكن الباحثون في الدراسة الأخيرة من تقليل كتلة المحطة من خلال دمج حمولة QKD مع أنظمة أخرى مثل إلكترونيات التحكم والبصريات والتلسكوبات. هذه خطوة كبيرة إلى الأمام، لكن أعضاء فريق Hefei-USTC لم ينتهوا بعد. أحد التحديات التي ذكروها في ورقتهم البحثية هو أنهم لا يستطيعون حاليًا تشغيل المحطة خلال النهار. وذلك لأن تشتت ضوء الشمس يخلق ضجيجًا في الخلفية يزيد بمقدار خمسة إلى ستة أوامر عما يُرى في التجارب التي تُجرى ليلاً. ومع ذلك، يعمل بان وزملاؤه على تقنيات مثل تحسين الطول الموجي، والترشيح الطيفي، والترشيح المكاني لتمكين تشغيل QKD في ضوء النهار.
يعمل QKD المستقل عن الجهاز على تقريب الإنترنت الكمي غير القابل للاختراق
يقول بان إن الفريق لديه خطط كبيرة، ونأمل أن تبلغ ذروتها في إنشاء شبكة كمومية عالمية متكاملة للأقمار الصناعية والأرض، يمكنها تقديم الخدمات للمستخدمين في جميع أنحاء العالم. بعد نجاح هذا العمل، سيبدأ الفريق في بناء كوكبة من الأقمار الصناعية الكمومية تتكون من عدة أقمار صناعية ذات مدار منخفض، وقمر صناعي ذو مدار متوسط إلى مرتفع، وشبكات QKD من الألياف الأرضية. يقول بان: "نعتقد أن عملنا سيساهم في مجال بحثي جذاب حول كيفية بناء كوكبة الأقمار الصناعية المثالية".
