اولین آزمایش QKD در راکتور هسته‌ای

عنوان خبر: اولین آزمایش QKD در راکتور هسته‌ای
ژانر/موضوع: توزیع کلید کوانتومی، مخابرات کوانتومی

تاریخ انتشار خبر: 3 ژوئن 2025
لینک خبر: The Quantum Insider

چکیده:

پژوهشگران دانشگاه پوردو، شرکت توشیبا، و آزمایشگاه ملی اوک‌ریج با موفقیت توزیع کلید کوانتومی (QKD) را در یک راکتور هسته‌ای فعال به نمایش گذاشتند که نخستین نمونه از ادغام فناوری رمزنگاری کوانتومی در یک سامانه کنترل هسته‌ای واقعی محسوب می‌شود. آن‌ها با استفاده از راکتور دیجیتال PUR-1، ارتباطی ایمن و با تأخیر کم را در فواصل تا ۱۳۵ کیلومتر (با رمزنگاری OTP) و ۱۴۰ کیلومتر (با AES) حتی تحت اختلالات شبیه‌سازی شده، برقرار کردند. این سیستم عملکرد پایداری داشت و با ایجاد ذخیره‌ای از کلیدهای رمزنگاری، امکان ادامه‌ی عملکرد امن در هنگام قطع ارتباط را فراهم ساخت. این پیشرفت نشان می‌دهد که QKD می‌تواند از راکتورهای خودگردان و دورافتاده در برابر تهدیدهای سایبری کوانتومی آینده محافظت کند. این آزمایش همچنین چارچوبی مقیاس‌پذیر برای ترکیب کلیدهای کوانتومی با رمزنگاری کلاسیک ارائه می‌دهد و آن را برای کاربرد در سیستم های هسته‌ای پیشرفته عملی می‌سازد.

شرح کامل خبر:

در یک پیشرفت علمی مهم که فناوری هسته‌ای و امنیت سایبری کوانتومی را در هم آمیخته، پژوهشگرانی از دانشگاه پردیو، شرکت توشیبا و آزمایشگاه ملی اوک‌ریج موفق شدند سیستم توزیع کلید کوانتومی (QKD) را در یک راکتور هسته‌ای فعال و کاملاً دیجیتال به‌کار بگیرند. این راکتور با نام PUR-1، نخستین راکتور هسته‌ای تمام‌دیجیتال ایالات متحده و تنها راکتور دارای مجوز رسمی از کمیسیون نظارت هسته‌ای آمریکاست. این دستاورد گامی مهم در جهت ایمن‌سازی ارتباطات در سامانه‌های هسته‌ای آینده به‌شمار می‌رود.

توزیع کلید کوانتومی (QKD) بر پایه اصول مکانیک کوانتومی عمل می‌کند و برخلاف رمزنگاری‌های رایج مانند RSA یا ECC که در آینده توسط رایانه‌های کوانتومی قابل شکستن هستند، امنیتی غیرقابل‌نفوذ ارائه می‌دهد. در این مطالعه، پژوهشگران از پروتکل پیشرفته BB84 با حالت decoy و رمزگذاری فازی استفاده کردند که به دلیل پایداری و سازگاری بالا، در محیط‌های واقعی بسیار کارآمد است.

در این آزمایش، سیستم QKD ساخت شرکت توشیبا از طریق فیبر نوری تک‌ مُده به سامانه کنترل و ابزار دقیق دیجیتال راکتور PUR-1 متصل شد. دو گره موسوم به “آلیس” و “باب” کلیدهای رمزنگاری را در زمان واقعی تبادل کرده و برای رمزگذاری داده‌های راکتور استفاده کردند. با نرخ کلید مخفی پایدار 320 کیلوبیت بر ثانیه و نرخ خطای بیت کوانتومی تنها 3.8٪ در 54 کیلومتر، این سیستم در فواصل قابل توجهی قابل استفاده بود: 135 کیلومتر با استفاده از رمزگذاری پد یکبار مصرف (OTP) و 140 کیلومتر با استفاده از AES – یک الگوریتم کارآمدتر برای کلید.

یکی از قابل توجه‌ترین دستاوردهای این مطالعه، ادغام مخازن کلید پویا برای بافر در برابر اختلالات شبکه بود. این کلیدهای از پیش انباشته شده، امکان ارتباط رمزگذاری شده مداوم را تا 149 ساعت در طول یک خرابی لینک QKD شبیه‌سازی شده فراهم کردند و انعطاف‌پذیری سیستم را نشان دادند. علاوه بر این، تأخیر کمتر از 0.5 ثانیه باقی ماند، که کاملاً در آستانه سیستم‌های کنترل هسته‌ای است که معمولاً با نرخ نمونه‌برداری 1 تا 10 هرتز کار می‌کنند.

این آزمایش از نظر امنیت سایبری، برای نسل بعدی راکتورهای کوچک، میکروراکتورها و باتری‌های شکافت هسته‌ای که در مناطق دورافتاده یا شرایط بحرانی به‌صورت خودمختار کار می‌کنند، اهمیت زیادی دارد. این سیستم‌ها به‌شدت وابسته به فناوری دیجیتال هستند و بنابراین در معرض تهدیدهای سایبری پیچیده قرار دارند. با یکپارچه‌سازی رمزنگاری کوانتومی، پژوهشگران نشان دادند که می‌توان امنیت ارتباطات در این راکتورها را به‌گونه‌ای تضمین کرد که نه تنها نفوذناپذیر، بلکه در برابر رایانه‌های کوانتومی آینده نیز مقاوم باشد.

ترکیب QKD با الگوریتم‌های رایج رمزنگاری مانند AES و ASCON، سازگاری با زیرساخت‌های فعلی را حفظ کرده و هم‌زمان امنیتی سطح بالا برای آینده فراهم می‌کند. این ترکیب انعطاف‌پذیری زیادی در مدیریت تأخیر، استفاده از کلید و قدرت رمزنگاری فراهم می‌آورد.

برنامه‌های آینده تیم پژوهشی با هدف کاهش بیشتر تأخیر با بهینه‌سازی سخت‌افزار و نرم‌افزار، بررسی عملکرد در هسته‌های راکتور با تابش بالا و افزایش پهنای باند سیگنال از طریق تکنیک‌های موازی‌سازی انجام می‌شود. اگرچه این آزمایش با تجهیزات تجاری و شرایط شبیه‌سازی‌شده انجام شد، اما گواهی روشن بر امکان‌پذیری و اثربخشی عملی این فناوری در تأسیسات هسته‌ای عملیاتی است.

در مجموع، این تحقیق گامی مهم در مسیر پیاده‌سازی رمزنگاری کوانتومی در زیرساخت‌های حیاتی به‌شمار می‌رود و مدل عملیاتی قابل‌اعتمادی برای ایمن‌سازی ارتباطات در کاربردهای حساس و حیاتی فراهم می‌سازد — آن‌هم در دورانی که تهدیدهای ناشی از محاسبات کوانتومی رو به افزایش‌اند.

منابع:

[1] https://thequantuminsider.com/2025/06/03/making-nuclear-power-quantum-safe-research-team-conducts-first-ever-tests-qkd-in-nuclear-reactor/

[2] https://arxiv.org/pdf/2505.17502

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.