डिवाइस-स्वतंत्र QKD अप्राप्य क्वांटम इंटरनेट को करीब लाता है

दो स्वतंत्र अनुसंधान समूहों ने एक ऐसी विधि के माध्यम से क्वांटम-एन्क्रिप्टेड कुंजी वितरित करने के लिए एक प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया है जो निश्चित रूप से संभावित नेटवर्क हैकर्स को अंधेरे में छोड़ देगा। प्रोटोकॉल, जिसे डिवाइस स्वतंत्र क्वांटम कुंजी वितरण कहा जाता है, पहली बार तीन दशक पहले प्रस्तावित किया गया था, लेकिन तकनीकी सीमाओं के कारण इसे पहले प्रयोगात्मक रूप से लागू नहीं किया गया था, जिसे शोधकर्ताओं ने अब दूर कर लिया है।

अधिकांश लोग यह सुनिश्चित करने के लिए नियमित रूप से एन्क्रिप्शन का उपयोग करते हैं कि इंटरनेट के माध्यम से वे जो जानकारी स्थानांतरित करते हैं (जैसे क्रेडिट कार्ड विवरण) वह गलत हाथों में न पड़े। वर्तमान एन्क्रिप्शन की गणितीय नींव इतनी मजबूत है कि एन्क्रिप्टेड "कुंजी" को सबसे तेज़ सुपर कंप्यूटर के साथ भी क्रैक नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, यह शास्त्रीय एन्क्रिप्शन भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों से खतरे में पड़ सकता है।

इस समस्या का एक समाधान क्वांटम कुंजी वितरण (क्यूकेडी) है, जो एन्क्रिप्शन के आधार के रूप में गणितीय एल्गोरिदम के बजाय फोटॉन के क्वांटम गुणों का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, यदि कोई प्रेषक रिसीवर को कुंजी संचारित करने के लिए उलझे हुए फोटॉन का उपयोग करता है, तो इस संचार पर जासूसी करने की कोशिश करने वाले किसी भी हैकर का पता लगाना आसान होगा क्योंकि उनका हस्तक्षेप उलझाव को परेशान करेगा। इसलिए QKD दोनों पक्षों को सुरक्षित, गुप्त कुंजी उत्पन्न करने की अनुमति देता है जिसका उपयोग वे जानकारी साझा करने के लिए कर सकते हैं।

कमजोर डिवाइस

लेकिन एक दिक्कत है. भले ही जानकारी सुरक्षित तरीके से भेजी गई हो, फिर भी कोई व्यक्ति प्रेषक और/या प्राप्तकर्ता के उपकरणों को हैक करके कुंजी का ज्ञान प्राप्त कर सकता है। क्योंकि QKD आम तौर पर मानता है कि उपकरण सही अंशांकन बनाए रखते हैं, किसी भी विचलन का पता लगाना मुश्किल हो सकता है, जिससे उनके समझौता होने का खतरा रहता है।

एक विकल्प डिवाइस इंडिपेंडेंट QKD (DIQKD) है, जैसा कि इसके नाम से पता चलता है कि यह डिवाइस की स्थिति से स्वतंत्र रूप से संचालित होता है। DIQKD निम्नानुसार काम करता है। पारंपरिक रूप से ऐलिस और बॉब नाम के दो उपयोगकर्ताओं के पास उलझे हुए जोड़े का एक कण है। वे प्रायोगिक स्थितियों के सख्त सेट का उपयोग करके स्वतंत्र रूप से कणों को मापते हैं। इन मापों को उन मापों में विभाजित किया गया है जिनका उपयोग एन्क्रिप्शन के लिए कुंजी उत्पन्न करने के लिए किया जाता है और जिनका उपयोग उलझाव की पुष्टि करने के लिए किया जाता है। यदि कण उलझे हुए हैं, तो मापे गए मान बेल की असमानताओं के रूप में ज्ञात स्थितियों का उल्लंघन करेंगे। इस उल्लंघन को स्थापित करने से यह गारंटी मिलती है कि कुंजी-पीढ़ी प्रक्रिया के साथ छेड़छाड़ नहीं की गई है।

उच्च-निष्ठा उलझाव, कम बिट त्रुटि दर

नए शोध में जिसका वर्णन किया गया है प्रकृतिऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय (यूके), सीईए (फ्रांस) और ईपीएफएल, जिनेवा विश्वविद्यालय और ईटीएच (सभी स्विट्जरलैंड में) की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने दो मीटर की दूरी पर फंसे स्ट्रोंटियम -88 आयनों की एक जोड़ी पर अपना माप किया। जब ये आयन उच्च इलेक्ट्रॉनिक अवस्था में उत्तेजित होते हैं, तो वे स्वचालित रूप से क्षय हो जाते हैं, जिससे प्रत्येक फोटॉन उत्सर्जित होता है। फिर आयनों को उलझाने के लिए दोनों फोटॉनों पर एक बेल-स्टेट माप (बीएसएम) किया जाता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सभी जानकारी सेटअप के भीतर रखी गई है, आयनों को एक अलग स्थान पर निर्देशित किया जाता है जहां उनका उपयोग DIQKD माप प्रोटोकॉल को निष्पादित करने के लिए किया जाता है। इसके बाद यही क्रम दोहराया जाता है.

लगभग आठ घंटे की अवधि में, टीम ने 1.5 मिलियन उलझे हुए बेल जोड़े बनाए और उनका उपयोग 95 884 बिट लंबी एक साझा कुंजी उत्पन्न करने के लिए किया। यह संभव था क्योंकि उलझाव की निष्ठा अधिक थी, 96% पर, जबकि क्वांटम बिट त्रुटि दर कम थी, 1.44% पर। इस बीच, बेल असमानता माप ने 2.64 का मान उत्पन्न किया, जो 2 की शास्त्रीय सीमा से काफी ऊपर है, जिसका अर्थ है कि उलझाव में बाधा नहीं आई।

एक अलग प्रयोग में भी वर्णित है प्रकृति, जर्मनी की लुडविग-मैक्सिमिलियन यूनिवर्सिटी (एलएमयू) और नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ सिंगापुर (एनयूएस) के शोधकर्ताओं ने प्रयोगशालाओं में 87 मीटर की दूरी पर स्थित ऑप्टिकली फंसे रुबिडियम -400 परमाणुओं की एक जोड़ी का उपयोग किया और 700 मीटर लंबे ऑप्टिकल फाइबर से जुड़े। अन्य टीम के प्रोटोकॉल के समान, परमाणु उत्साहित होते हैं और जब वे वापस अपनी जमीनी अवस्था में क्षय करते हैं तो वे जो फोटॉन उत्सर्जित करते हैं, उनका उपयोग बीएसएम करने के लिए किया जाता है जो दो परमाणुओं को उलझा देता है। फिर परमाणु की अवस्थाओं को एक विशेष अवस्था में आयनित करके मापा जाता है। चूंकि आयनीकृत परमाणु जाल से खो जाते हैं, परमाणु की उपस्थिति की जांच करने के लिए एक प्रतिदीप्ति माप प्रोटोकॉल को पूरा करता है।

एलएमयू-एनयूएस टीम ने 3 घंटे की माप अवधि में इस अनुक्रम को 342 बार दोहराया, जिससे 75% की उलझाव निष्ठा और 89.2% की क्वांटम बिट त्रुटि दर बनी रही। बेल असमानता माप से 7.8 का परिणाम प्राप्त हुआ, जिससे यह साबित हुआ कि माप अवधि के दौरान उलझाव बरकरार रहा।

अब इसे प्रैक्टिकल बनाओ

DIQKD को एक व्यावहारिक एन्क्रिप्शन विधि बनाने के लिए, दोनों टीमें इस बात पर सहमत हैं कि प्रमुख पीढ़ी दरों को बढ़ाने की आवश्यकता होगी। तो, ऐलिस और बॉब के बीच भी दूरियाँ होंगी। सिस्टम को अनुकूलित करने का एक तरीका फोटॉन संग्रह दरों में सुधार के लिए गुहाओं का उपयोग करना हो सकता है। एक अन्य कदम जोड़े के बजाय एकल परमाणुओं/आयनों की सरणियों का उपयोग करके उलझाव पीढ़ी की प्रक्रिया को समानांतर करना होगा। इसके अलावा, दोनों टीमें ऑप्टिकल फाइबर के अंदर उच्च हानि के साथ तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन उत्पन्न करती हैं: स्ट्रोंटियम के लिए 422 एनएम और रूबिडियम के लिए 780 एनएम। इसे क्वांटम आवृत्ति रूपांतरण के माध्यम से संबोधित किया जा सकता है, जो फोटॉन को निकट-अवरक्त क्षेत्र में स्थानांतरित करता है जहां दूरसंचार के लिए उपयोग किए जाने वाले ऑप्टिकल फाइबर बहुत कम नुकसान दिखाते हैं।

टिम वैन लींटएलएमयू में पीएचडी छात्र और एलएमयू-एनयूएस पेपर के सह-प्रमुख लेखक, नोट करते हैं कि ऑक्सफोर्ड-सीईए-स्विट्जरलैंड टीम द्वारा तैयार की गई चाबियाँ तथाकथित सीमित-कुंजी सुरक्षा मान्यताओं के तहत सुरक्षित थीं, जिसे वह "एक महान उपलब्धि" कहते हैं। ”। उन्होंने आगे कहा कि क्यूकेडी प्रोटोकॉल में सभी आवश्यक कदमों को लागू करने पर दूसरी टीम का काम एक महत्वपूर्ण मिसाल कायम करता है, यह बताते हुए कि इस प्रयोग में बताई गई उलझाव की गुणवत्ता दूर के पदार्थ-आधारित क्वांटम यादों के बीच अब तक की सबसे अधिक है।

निकोलस सांगोर्डसीईए के एक भौतिक विज्ञानी, जो परियोजना के प्रमुख जांचकर्ताओं में से एक हैं, का कहना है कि एलएमयू-एनयूएस शोधकर्ता यह दिखाने में सफल रहे कि उलझी हुई अवस्थाओं को सैकड़ों मीटर तक गुणवत्ता के साथ वितरित किया जा सकता है, जो सिद्धांत रूप में, डिवाइस को निष्पादित करने के लिए पर्याप्त है। -स्वतंत्र क्वांटम कुंजी वितरण। वह आगे कहते हैं कि जिन कठिनाइयों को उन्हें दूर करना पड़ा, वे उन चुनौतियों का एक अच्छा उदाहरण हैं जो डिवाइस-स्वतंत्र क्यूकेडी अभी भी क्वांटम नेटवर्किंग प्लेटफार्मों के लिए प्रस्तुत करता है। उन्होंने आगे कहा, कच्चे डेटा से कुंजी निकालना विशेष रूप से कठिन रहता है, क्योंकि प्रयोगात्मक दोहराव की संख्या माप परिणामों से कुंजी निकालने के लिए पर्याप्त नहीं है।