הבד הקוונטי של תקשורת בטוחה

הסבך הקוונטי הוא אחד התופעות החזקות ביותר בפיזיקה המודרנית.בעצם הליבה, הסבך מתאר מצב שבו שני חלקיקים או יותר הופכים להיות כה מקושרים עד כי מדידת אחד משפיע באופן מיידי על האחר, ללא קשר למרחק המפריד אותם.קשר לא-מקומי זה, אשר אלברט איינשטיין כינה "פעולה עקפה מרחוק", הוא כבר לא רק סקרנות תיאורטית.

איך באמת סבך עובד

כדי להבין את הסבך, עלינו קודם לקבל כי חלקיקים קוונטיים לא יש תכונות קבועות עד שהם נמדדים. A photon, למשל, אין קיטוב מוגדר עד שהוא נצפתה.כאשר שני פוטונים אינם מסובכים, הקיטובים שלהם להיות מתואמות באופן כזה שאם אחד נמדד להיות מקוטב אופקי, השני יימצא להיות מקוטב אנכי, ולהיפך, שני ק"מ הוא גם אם הוא קבוע יותר, אם הוא אחד הוא אחד, או יותר, אם הוא אחד הוא, אם הוא אחד הוא אחד הוא, הוא קריטי, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, הוא, הוא אחד הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, הוא, אם הוא, אם הוא אחד הוא, הוא, הוא, הוא, אם הוא, אם הוא, או יותר, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, הוא, הוא, הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, הוא נמדד להיות מקוטב, אם הוא, אם הוא, אם הוא, אם הוא, הוא, אם הוא, אם הוא, הוא, אם הוא נמדד להיות מקוטב, אם הוא, אם הוא נמדד להיות מקוטב

הסבך נוצר כאשר חלקיקים אינטראקציה באופן שמשמר את הכפייה של מדינות הקוונטיות שלהם.שיטות נפוצות כוללות פרמטריות ספונטניות של conversion (SPDC) ב גבישים לא לינאריים, שבו אחד גדול אנרגיה מחולקת לשני פוטונים פחות אנרגיה סבך, או דרך שערי הקוונטים במערכות ion לכודות.

התפלגות מפתח קוונטית: הזרוע המעשית של הסבך

היישום המיידי ביותר של סבך בתקשורת הוא FLT:0 התפלגות מפתח (QKD)IRLT:1 [בניגוד הצפנה מסורתית, אשר מסתמכת על מורכבות מתמטית וניתן לשבור על ידי מחשבים קוונטיים חזקים, QKD משתמש בחוקי הפיזיקה כדי להבטיח סודיות.בפרוטוקול QKD מבוסס סבך, כגון פרוטוקול אקאט (E91), שני צדדים (שנקראים באופן פומבי על ידי זוג תמונות משותף) לא ניתן לזהות באופן רשמי.

[ה]הביטחון של QKD מבוסס הסבך מוטבע בעובדה שכל משכן לא יכול להעתיק את המדינה הקוונטית מבלי להציג רעש.מעשה המדידה מפריע למערכת, מה שהופך את גילוי החדירה." ~ מאמרי טבע, 2020.

מערכות QKD פרוסות כיום לעתים קרובות להשתמש דופקים חלשות במקום פוטונים מסובכים, אבל סבך מציע יתרון בסיסי: ניתן להשתמש בו כדי לבנות FLT:0device-independent QKKDigcioFLT:1, שבו אבטחה אינה מסתמכת על אמון בחומרה.

בניית האינטרנט הקוונטי

החזון לטווח ארוך לתקשורת קוונטית משתרע הרבה מעבר להתפלגות מפתח נקודה לנקודה. חוקרים עובדים לקראת LT:0quantum InternetcioFLT:1 - רשת גלובלית המחברת מכשירים קוונטיים, מאפשרת מפיץ מחשוב קוונטי מבוזר, ומאפשר העברת נתונים אולטרה-מאובטחת. בלב הרשת הזו נמצאת חלוקה מסובבת לאורך מרחקים ארוכים.

בסביבה הקרובה של Quantum Reers: Extanglement Reach

חוזרים קלאסיים מגבירים אותות אנלוגיים, אבל חוזרים קוונטיים לא יכולים פשוט להעתיק מצב קוונטי בגלל המשפט הלא-קלוני.במקום, הם משתמשים בשילוב של החלפת סבך וזיכרון קוונטי כדי ליצור סבך ארוך למרחקים בשלבים.התהליך פועל כדלקמן: Segment a long סיבים לקטעים קצרים יותר, ליצור הסתבכו בכל פלח, ואז להשתמש בתוואי מרחק ארוך של החלפת אינטרנטית עדיין נמצאת במסגרות מוקדמות.

תקשורת קוונטית מבוססת לווין

גישה נוספת למגבלות מרחק גוברות היא באמצעות לוויינינים.הלווין הסיני Micius, שהושק ב-2016, הוכיח בהצלחה את חלוקת הסבך מעל 1,200 ק"מ בין תחנות קרקע, כמו גם בין סין לאירופה.קישורים לוויין נמנעים מההפסד האקספונמי של סיבים אופטיים למרחקים ארוכים, כי רוב הנתיב הוא דרך חלל ריק.

אתגרים בדרך ל- Scalable Networks

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה מהמכשולים הטכניים נותרו לפני שתקשורת קוונטית מבוססת סבך הופכת למיינסטרים.

שקיפות ורעש

מדינות מסובכות הן אינטראקציות שבריריות מאוד.סביבתיות - עם מולקולות אוויר, זיהומים סיבים, או רטטים תרמיים - לגרום לדהירות, אשר הורס את הקורלציה הקוונטית.תחזוקה של סבך לאורך זמן ומרחק דורש חומרים אולטרה-נמוכים, קירור בוכה עבור כמה סוגים של qubit, ותיקון מתקדם. בסיבים, תוך העצמה מגבילה את הטווח המעשי של הפצה ישירה ל מסובכת בערך 100 ק"מ ללא תיקון חוזר.

זיכרון קוונטי

מרכיב קריטי עבור חוזרים קוונטיים הוא זיכרון קוונטי אמין שיכול לאחסן מצבים מסובכים עבור מילימטרים שניות שניות בעוד מבצעים חוזרים מבוצעים.זיכרונות הנוכחיים המבוססים על אנסמבלים אטומיים או בצלים לכודים יש זמן אחסון מוגבל ונאמנות.התקדמות באזור זה היא מאיצה, עם הפגנות האחרונות של זיכרונות 1 שנייה במערכות זמן החדר, אבל הרבה עבודה נשאר.

אינטגרציה ואינטגרציה

עבור רשתות קוונטיות כדי לשתף פעולה עם תשתיות קלאסיות קיימות, תקני התעשייה נדרשים.פרוטוקולים עבור QKD מבוסס סבך, למשל, חייב להגדיר פיזור מפתח, אימות וצעדי תיקון שגיאות.ה-FLT:0ETSI קבוצה על QKDIRFLT:1 פרסמה כמה סטנדרטים, אך גרסאות מבוססות סבך עדיין לא מאומצות באופן נרחב, בנוסף לשילוב עם רכיבי רשת לא סטנדרטיים וניהול.

Beyond QKD: Entanglement for Distributed Quantum Computing

רשתות תקשורת קוונטיות לא רק לאבטח נתונים קלאסיים - הן יאפשרו גם ל-FLT:0) להפיץ מחשוב קוונטי של קוונטים מ-MatsFLT:1 [במודל זה, מעבדים קוונטיים קטנים רבים הממוקמים במדינות שונות המשתוללות לכדי פתרון בעיות באופן קולקטיבי, אשר מעל ליכולת של כל מכשיר בודד.עיוור מחשוב קוונטי, שבו לקוח עם יכולת קוונטית מוגבלת יכול להפעיל חישובים מרחוק ללא גילוי נתונים או שימוש יעיל בפרוטוקולים אלה הוא פרוטוקולים.

מחסומים וניסויים אמיתיים

השדה נע מעבר למעבדות אקדמיות לבדיקות בעולם האמיתי.הרשת הקוונטית:0DARPA Quantum NetworkearFLT:1 בארצות הברית הייתה הפגנה מוקדמת של QKD על פני מספר רב של צללים.אירופה מפעילה את ה-FLT:2 European Internet AlliancesFLT 3: 3, שמטרתה לחבר ערים גדולות עם קישורים קוונטיים עד 2030.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, כמה כיוונים מחקר הם קריטיים:

  • (FLT:0) שיפור דור הסבך של דור ה-SilLT:1) - מקורות SPDC הנוכחיים מייצרים מיליוני זוגות מסובכים לשנייה, אך רק חלק קטן ניתן להשגה לאחר החשבונאות עבור אובדן.
  • (FLT:0) הרחבת מכשירי קוונטים בקנה מידה קוונטיים של שבבים, Integrated סבך מקורות, גלאי זיכרון על שבבים פוטוניים יפחיתו את העלות ולשפר את הסקאלה.
  • (ב) ,0) רשתות קוונטיות של ⁇ :1 (השילוב של סבך עם משאבים קוונטיים אחרים (למשל, ריצוף, מדינות אשכול) עשוי לספק יתרונות נוספים לחישה חישוב.
  • (FLT:0) ,הפרוטוקולים תלויי המכשיר של ההרחבה 1 (For Long-term Security), מעבר לאדריכלות בעלות אמון ל- QKD יהיה חיוני.

סבך קוונטי אינו רק סקרנות מרתקת של הטבע - הוא משאב מעשי המעצב מחדש את האופן שבו אנו חושבים על תקשורת בטוחה חישוב מבוזר.כפי שחוקרים להתגבר על האתגרים של הוגנות, חזרות ואינטגרציה, רשתות מבוססות סבך יהפכו ככל הנראה לחלק קריטי של תשתית התקשורת העולמית, הגנה על נתונים מפני אפילו יריבים עתידיים חזקים ביותר.