اخبار کوانتومی – بهره‌برداری از رنگ‌های فوتون برای اینترنت کوانتومی با کارایی بالا
عنوان خبر: بهره‌برداری از رنگ‌های فوتون برای اینترنت کوانتومی با کارایی بالا
ژانر/موضوع: مخابرات کوانتومی، اپتیک کوانتومی، توزیع کلید کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 11 فوریه 2025
لینک خبر: phys.org
چکیده:
محققان روشی نوآورانه برای توزیع کلید کوانتومی (QKD) مبتنی بر درهمتنیدگی با استفاده از کدگذاری فرکانس-بین (frequency-bin) توسعه داده‌اند. برخلاف روش‌های کدگذاری سنتی، کدگذاری فرکانس-بین در برابر نویز محیطی مقاوم است و با نیاز به تنها یک آشکارساز به جای چهار آشکارساز، پیچیدگی سیستم را کاهش می‌دهد. این نوآوری که از طریق تبدیل فرکانس به زمان حاصل شده، هزینه‌ها را تا ۷۵٪ کاهش داده و با کاهش آسیب‌پذیری در برابر حملات آشکارساز، امنیت را افزایش می‌دهد.مالتی‌پلکسینگ تطبیقی فرکانس-بین امکان کارکرد همزمان چندین کانال را فراهم کرده و نرخ توزیع کلید را بدون نیاز به سخت‌افزار اضافی افزایش می‌دهد. این روش از توزیع کلید کوانتومی پویا و بهینه‌شده از نظر منابع در توپولوژی‌های مختلف شبکه پشتیبانی می‌کند و شبکه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را ممکن می‌سازد که گامی مهم به سوی توسعه اینترنت کوانتومی جهانی است.
شرح کامل خبر:
پیشرفت سریع رایانش کوانتومی تهدیدی جدی برای پروتکل‌های امنیتی فعلی داده‌ها محسوب می‌شود، زیرا رایانه‌های کوانتومی به طور بالقوه قادر به رمزگشایی حتی امن‌ترین فایل‌های رمزگذاری‌شده ارسال‌شده از طریق اینترنت هستند. برای مقابله با این چالش، محققان در سراسر جهان در حال بررسی توسعه شبکه‌های کوانتومی هستند که در صورت اتصال جهانی، می‌توانند پایه‌های اینترنت کوانتومی را تشکیل دهند. چنین شبکه‌هایی از پدیده‌های مکانیک کوانتومی مانند برهم‌نهی و درهمتنیدگی، همراه با پروتکل‌های رمزنگاری کوانتومی، برای امکان‌پذیر کردن ارتباطات ضد استراق سمع استفاده می‌کنند. با این حال، اینترنت کوانتومی هنوز در مراحل اولیه خود است و با هزینه‌های بالا، مصرف انرژی و پیچیدگی فناوری‌های مورد نیاز مواجه است که مقیاس‌پذیری شبکه‌های کوانتومی را به چالشی بزرگ تبدیل کرده‌است.
محققان مؤسسه فوتونیک در دانشگاه لایبنیتس هانوور در این زمینه پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. آنها روشی نوآورانه برای توزیع کلید کوانتومی مبتنی بر درهمتنیدگی (QKD) با استفاده از کدگذاری فرکانس-بین (frequency-bin coding) توسعه داده‌اند، تکنیکی که حالت‌های کوانتومی را با استفاده از فرکانس‌های مختلف نور (رنگ‌ها) کدگذاری می‌کند. این رویکرد هم امنیت و هم بهره‌وری منابع را افزایش می‌دهد و محدودیت‌های کلیدی شبکه‌های کوانتومی فعلی را برطرف می‌کند. این پژوهش که در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است، راه‌حلی مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه برای ارتباطات کوانتومی معرفی می‌کند.
روش جدید از فرکانس به عنوان یک درجه آزادی برای کدگذاری حالت‌های کوانتومی استفاده می‌کند و دو مزیت اصلی نسبت به روش‌های کدگذاری سنتی مانند قطبش یا کدگذاری زمان-بین (time-bin encoding) ارائه می‌دهد. اولاً، کدگذاری فرکانس در برابر نویز محیطی مانند نوسانات دما و ارتعاشات مکانیکی در فیبرهای نوری که می‌توانند انتقال کلید را مختل کنند، بسیار مقاوم است. ثانیاً، این روش به طور قابل توجهی پیچیدگی سیستم و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.
با استفاده از کدگذاری فرکانس-بین، محققان توانستند حالت‌های کوانتومی را با تنها یک آشکارساز به جای چهار آشکارساز فوتون بسیار حساس که معمولاً مورد نیاز است، اندازه‌گیری کنند. این امر از طریق تکنیکی به نام تبدیل “فرکانس به زمان” حاصل شد که اجزای فرکانس را به زمان رسیدن فوتون به آشکارساز نگاشت می‌کند. این نوآوری هزینه اجزای استاندارد مخابراتی را از حدود ۱۰۰,۰۰۰ یورو به تنها یک چهارم آن مقدار کاهش می‌دهد و در عین حال با کاهش آسیب‌پذیری در برابر حملات آشکارساز، امنیت را افزایش می‌دهد.
ویژگی کلیدی دیگر این روش، استفاده از مالتی‌پلکسینگ تطبیقی فرکانس-بین است که به چندین کانال اجازه می‌دهد به طور همزمان عمل کنند. این امر نرخ توزیع کلید را بدون نیاز به سخت‌افزار اضافی افزایش می‌دهد و به شبکه کوانتومی امکان می‌دهد تا به طور پویا با شرایط بار فعلی سازگار شود. این تطبیق‌پذیری برای مقیاس‌پذیری شبکه‌های کوانتومی به منظور پشتیبانی از تعداد فزاینده‌ای از کاربران در فواصل طولانی بسیار حیاتی است.
مقاله منتشر شده از این کار بر پیامدهای گسترده‌تر این تحقیق تأکید می‌کند. روش‌های کدگذاری فعلی، مانند زمان-بین، قطبش و تکانه زاویه‌ای مداری، به دلیل عدم قابلیت پیکربندی مجدد، با مشکلات مقیاس‌پذیری مواجه هستند. رویکرد کدگذاری فرکانس-بین ارائه‌شده در این مطالعه با معرفی یک ماژول تحلیل‌گر پایه فرکانس-بین مقیاس‌پذیر، این محدودیت‌ها را برطرف می‌کند. این ماژول امکان انتخاب پایه تصادفی غیرفعال (passive random basis selection) را فراهم می‌کند، که گامی حیاتی در پروتکل‌های کوانتومی است، و هر کاربر را به جای چهار آشکارساز، تنها با یک آشکارساز مجهز می‌کند. این کاهش سربار منابع نه تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه سهم شمارش تاریک (dark count contributions)، عدم تعادل آشکارساز و آسیب‌پذیری در برابر حملات کانال جانبی را به حداقل می‌رساند و در نتیجه امنیت کلی را افزایش می‌دهد.
به طور خلاصه، کار محققان دانشگاه لایبنیتس هانوور گامی مهم به سوی توسعه شبکه‌های کوانتومی عملی و مقیاس‌پذیر است. با استفاده از کدگذاری فرکانس-بین و مالتی‌پلکسینگ تطبیقی، روش آنها چالش‌های مهم مربوط به هزینه، پیچیدگی و امنیت را برطرف می‌کند و چشم‌انداز اینترنت کوانتومی جهانی را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند. این دستاورد نه تنها عملکرد و کارایی شبکه‌های کوانتومی را افزایش می‌دهد، بلکه زمینه را برای پذیرش گسترده آنها در صنایعی که نیازمند ارتباطات امن هستند، مانند مالی، دفاع و بهداشت، فراهم می‌کند
منابع:
[1] https://phys.org/news/2025-02-exploiting-photon-high-quantum-internet.html
[2] https://www.nature.com/articles/s41377-024-01696-8
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
