پارچه کوانتومی ارتباطات امن

درهم تنیده کوانتومی به عنوان یکی از ضدعفونی کننده ترین پدیده های قدرتمند در فیزیک مدرن است.در هسته آن، درهم تنیده شدن وضعیتی را توصیف می کند که دو یا چند ذره به قدری عمیق مرتبط می شوند که اندازه گیری یک پدیده به طور فوری بر دیگری تأثیر می گذارد، صرف نظر از فاصله جدا کردن آنها.این اتصال غیر محلی، که آلبرت اینشتین به آن "اقدام اسپم در یک رمزنگاری از راه دور" می گوید، تنها یک سیستم های هوشمندی است که می تواند به سیستم های ارتباطی کلاسیک دست یابد و ارتباطات مجازی دسترسی پیدا کند.

چگونه برخورد در واقع کار می کند

برای درک پیچیدگی، ابتدا باید بپذیریم که ذرات کوانتومی تا زمانی که اندازه گیری شوند، خواص ثابت ندارند.یک فوتون، به عنوان مثال، قطبی شدن قطعی ندارد تا زمانی که مشاهده شود.هنگامی که دو فوتون درهم تنیده شده اند، قطبی شدن آنها به گونه ای مرتبط می شود که اگر یک قطبی به صورت افقی اندازه گیری شود، دیگری پیدا خواهد شد که به طور تصادفی مشخص شده باشد و حتی اگر این ارتباط با نتیجه ی تصادفی جدا شده باشد.

درهم تنیده شدن زمانی ایجاد می شود که ذرات به گونه ای تعامل کنند که انسجام حالت های کوانتومی خود را حفظ کند. روشهای مشترک شامل پارامتری پایین تر از اتصال (SPDC) در کریستال های غیر خطی است که در آن یک فوتون تک انرژی بالا به دو فوتون درهم تنیده انرژی، یا از طریق دروازه های کوانتومی در سیستم های یون به دام افتاده تقسیم می شود.

توزیع کلیدی کوانتومی: بازوی عملی Entanglement

فوری ترین کاربرد در ارتباط (FLT:0) توزیع کلیدی (QKD) بر خلاف رمزنگاری سنتی، که بر پیچیدگی ریاضی متکی است و می تواند به طور تصادفی توسط کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند شکسته شود، QKD از قوانین فیزیک برای اطمینان از پنهان کاری استفاده می کند.

امنیت QKD مبتنی بر درهم تنیده در این واقعیت استوار است که هر گونه eavesdropper نمی تواند حالت کوانتومی را بدون معرفی سر و صدا کپی کند. عمل اندازه گیری بسیار مزاحم سیستم، تشخیص نفوذ قابل تشخیص است. - Nature Physics سرمقاله 2020.

امروزه سیستم های QKD تجاری اغلب از پالس های ضعیف به جای فوتون های درهم تنیده استفاده می کنند، اما درهم تنیده شدن مزیتی اساسی ارائه می دهد: می توان از آن برای ساخت (FLT:0) QKD مستقل از دستگاه استفاده کرد.[۱۰] [FLT ۱]، که امنیت به اعتماد به سخت افزار متکی نیست، اگرچه هنوز پروتکل های آزمایشی، مستقل دستگاه، استاندارد طلایی بدون قید و شرط برای امنیت را نشان می دهند.

ساخت اینترنت کوانتومی

چشم انداز بلند مدت برای ارتباطات کوانتومی بسیار فراتر از توزیع کلیدی نقطه به نقطه گسترش می یابد، محققان به سمت یک اینترنت کوانتومی - یک شبکه جهانی که دستگاه های کوانتومی را متصل می کند، اجازه می دهد تا محاسبات کوانتومی توزیع شده، و انتقال داده های فوق العاده امن را در قلب این شبکه توزیع درهم تنیده در فواصل طولانی، با این حال تکرار مستقیم سیگنال های انتقال نوری است.

تکرار کنندگان کوانتومی: گسترش دستیابی به انتقطاع

تکرارگران کلاسیک سیگنال های آنالوگ را تقویت می کنند، اما تکرار کنندگان کوانتومی به سادگی نمی توانند یک حالت کوانتومی را به دلیل نظریه بدون رنگ کپی کنند، در عوض، آنها از ترکیبی از مبادله درهم تنیده و حافظه کوانتومی برای ایجاد یک اختلال در طول مسیر حرکت طولانی استفاده می کنند، روند به شرح زیر عمل می کند: بخش های فیبر طولانی به بخش های کوتاه تر، ایجاد درهم تنیده شدن در هر بخش آزمایشگاهی، و سپس استفاده از یک جفت کوانتومی در مراحل اولیه از سرعت در بخش های مختلف سیگنال های متحرک هنوز هم در بخش های مختلف در بخش های مختلف ثابت شده است.

ارتباطات کوانتومی ماهواره ای

رویکرد دیگر برای غلبه بر محدودیت های فاصله، استفاده از ماهواره های Micius چین است که در سال 2016 راه اندازی شده است، با موفقیت نشان داده شده است توزیع درهم تنیده بیش از 1200 کیلومتر بین ایستگاه های زمینی، و همچنین QKD بین چین و اروپا است.

چالش های جاده ای برای شبکه های مقیاس پذیر

علی رغم پیشرفت قابل توجه، چندین مانع فنی قبل از ارتباطات کوانتومی مبتنی بر درگیری، جریان اصلی می شوند.

عدم موفقیت و سر و صدا

حالت های درهم تنیده بسیار شکننده هستند. تعاملات زیست محیطی - با مولکول های هوا، ناخالصی های فیبر یا ارتعاشات حرارتی - باعث ناراحتی می شود، که همبستگی کوانتومی را از بین می برد. حفظ درهم تنیده شدن در طول زمان و فاصله نیاز به مواد فوق العاده کم از دست رفته، خنک کننده برای برخی از انواع کیوبیت، و اصلاح پیشرفته خطا دارد.

حافظه کوانتومی

یک جزء حیاتی برای تکرار کنندگان کوانتومی یک حافظه کوانتومی قابل اعتماد است که می تواند ایالات درهم تنیده را برای ثانیه ها تا ثانیه ذخیره کند در حالی که عملیات تکرار کننده انجام می شود، خاطرات فعلی بر اساس گروه های اتمی یا یون های به دام افتاده دارای زمان ذخیره سازی محدود و پیشرفت در این منطقه سرعت می باشد، با تظاهرات اخیر بیش از 1 ثانیه در سیستم های دمای اتاق، اما هنوز کار می کند.

استاندارد و ادغام

برای شبکه های کوانتومی برای همکاری با زیرساخت های کلاسیک موجود، استانداردهای صنعت مورد نیاز است. [پروتکل های مربوط به QKD مبتنی بر درهم تنیده، برای مثال، باید تقطیر کلیدی، تأیید اعتبار و مراحل اصلاح خطا را تعریف کنند. ETSI گروه در QKD چندین استانداردها منتشر کرده است، اما انواع درهم تنیده شده هنوز به طور گسترده ای با اجزای شبکه های غیر مستقیم ادغام نمی شوند.

فراتر از QKD: ترکیب برای محاسبات کوانتومی توزیع شده

شبکه های ارتباطی کوانتومی نه تنها داده های کلاسیک را امن می کنند بلکه قادر خواهند بود محاسبات کوانتومی توزیع شده را فعال کنند، در این مدل، چندین پردازنده کوانتومی کوچک واقع در کشورهای مختلف مبادله شده با هم تنیده شده برای حل مسائل که از ظرفیت هر دستگاه استفاده می کنند، محاسبات کوانتومی کور، که در آن مشتری با توانایی محدود کوانتومی می تواند محاسبات کوانتومی را بر روی یک الگوریتم از راه دور آشکار کند و یا استفاده از طریق دیگر.

شرکت های واقعی و جهانی

این زمینه فراتر از آزمایشگاه های دانشگاهی در بستر های آزمایشی در دنیای واقعی حرکت می کند. DARPA Quantum Network در ایالات متحده یک نمایش اولیه QKD در سراسر گره های متعدد بود. اروپا کار می کند اتحادیه اینترنت کوانتومی اروپا ، که هدف آن اتصال شهرهای بزرگ با پیوندهای کوانتومی توسط چین 200،000، و یا پایگاه داده های جامد، حتی اگر پایگاه داده های M2، پایگاه داده M2، نشان می دهد.

مسیر های آینده

در حال حاضر، چندین راه تحقیقاتی مهم هستند:

  • افزایش نرخ های نسل درهم تنیده - منابع فعلی SPDC تولید میلیون ها جفت درهم تنیده در ثانیه، اما تنها یک کسر کوچک پس از حسابداری برای از دست دادن روشن، منابع با رضایت بالا مورد نیاز است.
  • دستگاه های کوانتومی مقیاس تراشه [FLT 1] - ادغام منابع درهم تنیده، آشکارسازها و حافظه در تراشه های فوتونیک هزینه و بهبود مقیاس پذیری را کاهش می دهد.
  • [FLT 1] شبکه های کوانتومی [FLT 1] - ترکیب درهم تنیده با دیگر منابع کوانتومی (به عنوان مثال، ایالات خوشه ای) ممکن است مزایای اضافی برای سنجش و محاسبه فراهم کند.
  • استاندارد کردن پروتکل های مستقل دستگاه [FLT 1] - برای امنیت بلند مدت، حرکت فراتر از معماری های قابل اعتماد برای QKD کاملاً مستقل از دستگاه ضروری خواهد بود.

درهم تنیده کوانتومی فقط یک کنجکاوی جذاب از طبیعت نیست – یک منبع عملی است که تغییر می دهد که چگونه ما در مورد ارتباطات امن و محاسبات توزیع شده فکر می کنیم، زیرا محققان بر چالش های فساد، تکرار کنندگان و ادغام، شبکه های مبتنی بر درهم تنیده، احتمالا به بخش مهمی از زیرساخت ارتباطات جهانی تبدیل خواهند شد، محافظت از داده ها در برابر قدرتمندترین دشمنان آینده.