ڈیوائس سے آزاد QKD ناقابل استعمال کوانٹم انٹرنیٹ کو قریب لاتا ہے۔

دو آزاد تحقیقی گروپوں نے کوانٹم انکرپٹڈ کیز کو ایک ایسے طریقہ کے ذریعے تقسیم کرنے کے لیے ایک پروٹوکول کا مظاہرہ کیا ہے جو یقینی طور پر نیٹ ورک ہیکرز کو اندھیرے میں چھوڑ دے گا۔ پروٹوکول، ڈب ڈیوائس کی آزاد کوانٹم کلید تقسیم، پہلی بار تین دہائیوں قبل تجویز کیا گیا تھا لیکن تکنیکی حدود کی وجہ سے اس سے پہلے تجرباتی طور پر محسوس نہیں کیا گیا تھا، جس پر محققین نے اب قابو پا لیا ہے۔

زیادہ تر لوگ اس بات کو یقینی بنانے کے لیے باقاعدگی سے خفیہ کاری کا استعمال کرتے ہیں کہ وہ انٹرنیٹ کے ذریعے منتقل کی جانے والی معلومات (جیسے کریڈٹ کارڈ کی تفصیلات) غلط ہاتھوں میں نہ جائیں۔ موجودہ دور کے خفیہ کاری کی ریاضیاتی بنیادیں اتنی مضبوط ہیں کہ تیز ترین سپر کمپیوٹر کے ساتھ بھی، خفیہ کردہ "کیز" کو توڑا نہیں جا سکتا۔ تاہم، یہ کلاسیکی خفیہ کاری مستقبل کے کوانٹم کمپیوٹرز سے خطرے میں پڑ سکتی ہے۔

اس مسئلے کا ایک حل کوانٹم کی ڈسٹری بیوشن (QKD) ہے، جو کہ انکرپشن کی بنیاد کے طور پر ریاضیاتی الگورتھم کے بجائے فوٹون کی کوانٹم خصوصیات کو استعمال کرتا ہے۔ مثال کے طور پر، اگر کوئی بھیجنے والا ایک کلید وصول کرنے والے کو منتقل کرنے کے لیے الجھے ہوئے فوٹونز کا استعمال کرتا ہے، تو کوئی بھی ہیکر جو اس کمیونیکیشن کی جاسوسی کرنے کی کوشش کرتا ہے اس کا پتہ لگانا آسان ہو جائے گا کیونکہ ان کی مداخلت سے الجھن میں خلل پڑے گا۔ لہذا QKD دونوں فریقوں کو محفوظ، خفیہ کلیدیں بنانے کی اجازت دیتا ہے جسے وہ معلومات کا اشتراک کرنے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں۔

کمزور آلات

لیکن ایک کیچ ہے۔ یہاں تک کہ اگر معلومات محفوظ طریقے سے بھیجی جاتی ہیں، تب بھی کوئی بھیجنے والے اور/یا وصول کنندہ کے آلات کو ہیک کرکے کلید کا علم حاصل کرسکتا ہے۔ چونکہ QKD عام طور پر یہ فرض کرتا ہے کہ آلات کامل انشانکن کو برقرار رکھتے ہیں، اس لیے کسی بھی انحراف کا پتہ لگانا مشکل ہو سکتا ہے، جس سے وہ سمجھوتہ کیے جانے کا خطرہ رکھتے ہیں۔

ایک متبادل آلہ آزاد QKD (DIQKD) ہے، جو کہ اس کے نام سے ظاہر ہوتا ہے کہ آلہ کی حالت سے آزادانہ طور پر کام کرتا ہے۔ DIQKD مندرجہ ذیل کام کرتا ہے۔ دو صارفین، روایتی طور پر ایلس اور باب کے نام سے، ہر ایک کے پاس الجھے ہوئے جوڑے کا ایک ذرہ ہوتا ہے۔ وہ تجرباتی حالات کے سخت سیٹ کا استعمال کرتے ہوئے آزادانہ طور پر ذرات کی پیمائش کرتے ہیں۔ ان پیمائشوں کو ان میں تقسیم کیا گیا ہے جو انکرپشن کے لیے کلید بنانے کے لیے استعمال ہوتے ہیں اور وہ جو الجھنے کی تصدیق کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ اگر ذرات الجھے ہوئے ہیں، تو ماپی گئی قدریں ایسی شرائط کی خلاف ورزی کریں گی جنہیں بیل کی عدم مساوات کہا جاتا ہے۔ اس خلاف ورزی کو قائم کرنا اس بات کی ضمانت دیتا ہے کہ کلیدی نسل کے عمل کے ساتھ چھیڑ چھاڑ نہیں کی گئی ہے۔

اعلی مخلصانہ الجھن، کم بٹ غلطی کی شرح

نئی تحقیق میں، جس میں بیان کیا گیا ہے۔ فطرت، قدرتیونیورسٹی آف آکسفورڈ (برطانیہ)، سی ای اے (فرانس) اور ای پی ایف ایل، جنیوا یونیورسٹی اور ای ٹی ایچ (تمام سوئٹزرلینڈ میں) کی ایک بین الاقوامی ٹیم نے دو میٹر کے فاصلے پر پھنسے ہوئے اسٹرونٹیم-88 آئنوں کے جوڑے پر اپنی پیمائش کی۔ جب یہ آئن اعلیٰ برقی حالت میں پرجوش ہوتے ہیں، تو وہ بے ساختہ زوال پذیر ہوتے ہیں، ہر ایک فوٹون کا اخراج کرتے ہیں۔ ایک بیل اسٹیٹ پیمائش (بی ایس ایم) پھر آئنوں کو الجھانے کے لیے دونوں فوٹون پر کی جاتی ہے۔ اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کہ تمام معلومات سیٹ اپ کے اندر رکھی گئی ہیں، پھر آئنوں کو ایک مختلف جگہ پر لے جایا جاتا ہے جہاں وہ DIQKD پیمائش پروٹوکول کو انجام دینے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ اس کے بعد یہ سلسلہ دہرایا جاتا ہے۔

تقریباً آٹھ گھنٹے کے عرصے میں، ٹیم نے 1.5 ملین الجھے ہوئے بیل جوڑے بنائے اور انہیں 95 884 بٹ لمبی مشترکہ کلید بنانے کے لیے استعمال کیا۔ یہ اس لیے ممکن ہوا کیونکہ الجھنے کی مخلصی زیادہ تھی، 96٪ پر، جبکہ کوانٹم بٹ ایرر ریٹ کم، 1.44٪ پر تھا۔ بیل کی عدم مساوات کی پیمائش نے، اس دوران، 2.64 کی قدر پیدا کی، جو کہ 2 کی کلاسیکی حد سے کافی اوپر ہے، یعنی الجھنے میں کوئی رکاوٹ نہیں تھی۔

ایک الگ تجربے میں، میں بھی بیان کیا گیا ہے۔ فطرت، قدرت, جرمنی کی Ludwig-Maximilian University (LMU) اور نیشنل یونیورسٹی آف سنگاپور (NUS) کے محققین نے لیبارٹریوں میں 87 میٹر کے فاصلے پر اور 400 میٹر لمبے آپٹیکل فائبر سے جڑے نظری طور پر پھنسے ہوئے روبیڈیم 700 ایٹموں کا ایک جوڑا استعمال کیا۔ دوسری ٹیم کے پروٹوکول کی طرح، ایٹم پرجوش ہوتے ہیں اور جو فوٹون وہ خارج کرتے ہیں جب وہ اپنی زمینی حالت میں واپس گرتے ہیں ایک BSM انجام دینے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے جو دونوں ایٹموں کو الجھا دیتا ہے۔ پھر ایٹم کی حالتوں کو ایک خاص حالت میں آئنائز کرکے ماپا جاتا ہے۔ چونکہ آئنائزڈ ایٹم جال سے کھو جاتے ہیں، اس لیے ایٹم کی موجودگی کی جانچ کرنے کے لیے فلوروسینس پیمائش پروٹوکول کو مکمل کرتی ہے۔

LMU-NUS ٹیم نے 3 گھنٹے کی پیمائش کی مدت میں اس ترتیب کو 342 75 بار دہرایا، جس میں 89.2% کی الجھن کی مخلصی اور کوانٹم بٹ ایرر ریٹ 7.8% برقرار رہا۔ بیل عدم مساوات کی پیمائش کا نتیجہ 2.57 نکلا، جس سے یہ ثابت ہوتا ہے کہ پیمائش کی مدت کے دوران الجھن برقرار ہے۔

اب اسے عملی بنائیں

DIQKD کے ایک عملی خفیہ کاری کا طریقہ بننے کے لیے، دونوں ٹیمیں اس بات پر متفق ہیں کہ کلیدی جنریشن کی شرحوں کو بڑھانے کی ضرورت ہوگی۔ تو، ایلس اور باب کے درمیان بھی فاصلے بڑھ جائیں گے۔ سسٹم کو بہتر بنانے کا ایک طریقہ فوٹوون جمع کرنے کی شرح کو بہتر بنانے کے لیے گہاوں کا استعمال کرنا ہو سکتا ہے۔ ایک اور قدم جوڑوں کے بجائے واحد ایٹموں/آئنوں کی صفوں کا استعمال کرتے ہوئے الجھن پیدا کرنے کے عمل کو متوازی بنانا ہے۔ اس کے علاوہ، دونوں ٹیمیں آپٹیکل ریشوں کے اندر زیادہ نقصانات کے ساتھ طول موج پر فوٹان پیدا کرتی ہیں: سٹرونٹیم کے لیے 422 nm اور روبیڈیم کے لیے 780 nm۔ اس کو کوانٹم فریکوئنسی کنورژن کے ذریعے حل کیا جا سکتا ہے، جو فوٹان کو قریب کے انفراریڈ خطے میں منتقل کرتا ہے جہاں ٹیلی کمیونیکیشن کے لیے استعمال ہونے والے آپٹیکل فائبر بہت کم نقصان کی نمائش کرتے ہیں۔

ٹم وین لینٹ, LMU میں ایک PhD طالب علم اور LMU-NUS پیپر کے شریک سرکردہ مصنف نے نوٹ کیا کہ Oxford-CEA-Switzerland کی ٹیم نے جو کلیدیں تیار کیں وہ نام نہاد محدود کلیدی حفاظتی مفروضوں کے تحت محفوظ تھیں، جسے وہ کہتے ہیں "ایک عظیم کامیابی " انہوں نے مزید کہا کہ QKD پروٹوکول میں تمام ضروری اقدامات کو لاگو کرنے پر دوسری ٹیم کا کام ایک اہم نظیر قائم کرتا ہے، اس بات کی نشاندہی کرتے ہوئے کہ اس تجربے میں درج الجھنے کا معیار دور دراز کے مادے پر مبنی کوانٹم یادوں کے درمیان اب تک سب سے زیادہ ہے۔

نکولس سنگوارڈسی ای اے کے ایک ماہر طبیعیات جو اس منصوبے کے سرکردہ تفتیش کاروں میں سے ایک ہیں، کا کہنا ہے کہ LMU-NUS کے محققین یہ ظاہر کرنے میں کامیاب ہوئے کہ الجھی ہوئی ریاستوں کو سینکڑوں میٹر پر ایک ایسے معیار کے ساتھ تقسیم کیا جا سکتا ہے جو اصولی طور پر ڈیوائس کو انجام دینے کے لیے کافی ہے۔ - آزاد کوانٹم کلید کی تقسیم۔ وہ مزید کہتے ہیں کہ انہیں جن مشکلات پر قابو پانا پڑا وہ ان چیلنجوں کی ایک اچھی مثال کے طور پر کام کرتی ہیں جو ڈیوائس سے آزاد QKD اب بھی کوانٹم نیٹ ورکنگ پلیٹ فارمز کے لیے لاحق ہیں۔ خام ڈیٹا سے کلید نکالنا خاصا مشکل رہتا ہے، وہ مزید کہتے ہیں، کیونکہ تجرباتی تکرار کی تعداد پیمائش کے نتائج سے کلید نکالنے کے لیے کافی نہیں ہے۔