Drone- and Vehicle-Based Quantum Key Distribution
تقدم هذه الورقة نظاماً نموذجياً متنقلاً لتوزيع المفاتيح الكمومية يتم نشره على الطائرات بدون طيار والمركبات، ويحقق معدلات مفاتيح آمنة تتراوح بين 1.6 و20 كيلوبت في الثانية من خلال استخدام نماذج فيزيائية متقدمة لمعالجة السلوكيات غير المثالية في البيئات الديناميكية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً تضمن فيه قوانين الفيزياء، بدلاً من الأكواد الرياضية المعقدة، عدم إمكانية اعتراض رسالة سرية. هذا هو الوعد الذي يقدمه توزيع المفاتيح الكمومية، وهي طريقة لإرسال المعلومات تعتمد على سلوك جسيمات الضوء الفردية. في هذا النظام، يتشارك المرسل والمستقبل كوداً سرياً عبر تبادل هذه الجسيمات الصغيرة. وإذا حاول طرف ثالث التجسس على عملية التبادل، فإن فعل مراقبة الجسيمات يغيرها حتماً، مما ينبه الطرفين الصادقين إلى أن الخط قد تم اختراقه. لسنوات طويلة، ظل هذا التكنولوجيا محصوراً في مواقع ثابتة، متصلة بكابلات الألياف الضوئية أو حزم ضوئية قصيرة وثابتة. وكان التحدي دائماً هو نقل هذه التكنولوجيا الحساسة وعالية الأمن من المختبر ووضعها في حالة حركة، مما يسمح لها بالعمل بين أجسام طائرة أو متحركة.
لقد نجح فريق من الباحثين الآن في إثبات أن هذا الأمر ممكن. فقد بنوا نظاماً محمولاً قادراً على توليد مفاتيح آمنة بين منصات متحركة، بما في ذلك الطائرات بدون طيار والمركبات. ومن خلال تركيب معداتهم على طائرات بدون طيار وسيارات تجارية، أثبتوا أن طرفين يمكنهما تبادل كود سري أثناء الحركة، سواء كانا يحلقان في الجو، أو يسيران جنباً إلى جنب في مسار اختبار، أو ينطلقان بسرعة على طريق عام. وقد عمل النظام حتى عندما كانت المركبات تسير بسرعات تصل إلى 70 ميلاً في الساعة، مولدةً كوداً آمناً يمكن استخدامه لتشفير الاتصالات المستقبلية. إن هذا الإنجاز ينقل الأمن الكمومي من تجربة مخبرية ثابتة نحو شبكة مرنة يمكنها يوماً ما حماية بيانات المستخدمين المتنقلين في أي مكان.
كان جوهر هذا المشروع هو التصميم التركيبي (الموديول)، مما يعني إمكانية تبديل المعدات الكمومية بسرعة بين مركبات مختلفة دون الحاجة إلى إعادة بنائها من الصفر. فقد صمم الباحثون جهاز إرسال وجهاز استقبال صغيرين وخفيفين بما يكفي لحملهما بواسطة الطائرات بدون طيار، ومع ذلك يتمتعان بقوة كافية للحفاظ على اتصال عبر المسافة. يرسل جهاز الإرسال نبضات ضوئية مشفرة بالمعلومات، بينما يقوم جهاز الاستقبال بقياسها. وللحفاظ على استقرار الاتصال أثناء تحرك المنصات، استخدم الفريق نظاماً للتوجيه والتتبع. يعمل هذا النظام مثل يد ثابتة، حيث يضبط باستمرار اتجاه الليزر لضمان بقاء الشعاع مقفلاً على جهاز الاستقبال رغم الاهتزازات وحركات الطائرات بدون طيار والسيارات.
اختبر الفريق نظامهم في عدة سيناريوهات مختلفة لمعرفة مدى صموده في ظروف العالم الحقيقي. أولاً، اختبروا المعدات على الأرض، مع وضع جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال على طائرتين بدون طيار ثابتتين تفصل بينهما مسافة قصيرة. ثم انطلقوا في الجو، حيث حلقتا بطائرتين بدون طيار باتجاه بعضهما البعض وحافظتا على رابط آمن أثناء التحليق على بعد حوالي 13 قدماً. كما اختبروا سيناريو حيث تتواصل طائرة بدون طيار طائرة مع سيارة تسير على طريق خاص. وأخيراً، دفعوا النظام إلى أقصى حدوده بوضع المعدات في سيارتين تسيران بالتوازي. في أحد الاختبارات، تحركت السيارتان ببطء بسرعة 5 أميال في الساعة على مسار مغلق. وفي اختبار أكثر صعوبة، قادتا جنباً إلى جنب بسرعة 70 ميلاً في الساعة على طريق سريع عام.
وفي كل تكوين، نجح النظام في توليد مفتاح سري. وقد تفاوتت السرعة التي يمكنهم بها توليد هذا المفتاح اعتماداً على الظروف. فعندما كانت السيارات تتحرك ببطء، أنتج النظام مفتاحاً آمناً بمعدل 20 كيلوبت في الثانية. وحتى عند السرعة العالية البالغة 70 ميلاً في الساعة على الطريق السريع، حافظ النظام على الاتصال، مولداً مفتاحاً بمعدل 2.5 كيلوبت في الثانية. حقق الاتصال بين الطائرتين بدون طيار معدلاً قدره 8.5 كيلوبت في الثانية، بينما أنتج الرابط بين الطائرة بدون طيار والمركبة 1.6 كيلوبت في الثانية. وتمثل هذه الأرقام السرعة التي يمكن للطرفين بها الاتفاق على كود سري مثبت رياضياً بأنه آمن ضد التنصت.
كان جزء حاسم من هذا النجاح هو كيفية تعامل الباحثين مع عيوب العالم الحقيقي. في المختبر المثالي، تعمل المعدات بلا أخطاء، ولكن على مركبة متحركة، تسبب الاهتزازات وتغير الضوء والتحولات الميكانيكية أخطاءً. طور الفريق طريقة جديدة لتحليل البيانات تأخذ هذه العيوب في الاعتبار. فبدلاً من افتراض أن المعدات مثالية، بنوا نموذجاً تفصيلياً لكيفية سلوك أجهزتهم المحددة، بما في ذلك كيفية فقدان الكواشف لبعض الإشارات أو كيفية انزياح حزم الضوء. ومن خلال استخدام هذا النموذج الواقعي، تمكنوا من إثبات أن النظام ظل آمناً حتى مع وجود هذه الأخطاء، وهي خطوة حاسمة لأي تكنولوجيا مخصصة للاستخدام المتنقل. سمح هذا النهج لهم بحساب معدل مفتاح آمن يمكن الوثوق به، على الرغم من أن الجلسات كانت قصيرة نسبياً.
كما لاحظ الباحثون قيود إعدادهم الحالي. يعمل النظام حالياً في الليل فقط لأن ضوء الشمس يخلق الكثير من الضوضاء الخلفية التي تمنع الكواشف الحساسة من تمييز الإشارة. ويعتقدون أنه مع مرشحات أفضل ومعدات أكثر تقدماً، يمكنهم في النهاية جعل النظام يعمل خلال النهار. بالإضافة إلى ذلك، كانت الطائرات بدون طيار التي استخدموها محدودة بعمر البطارية، مما سمح ببضع دقائق فقط من وقت الطيران، وهو ما حد من المسافة التي يمكنهم قطعها. واقترح الفريق أن استخدام كابل لتزويد الطائرة بالطاقة، أو استخدام طائرات بدون طيار أكبر من الطراز العسكري، يمكن أن يمد نطاق ومدة هذه الرحلات. كما أشاروا إلى أن نظامهم الحالي له مدى يصل إلى حوالي 100 متر، ولكن التحديثات المستقبلية باستخدام ليزرات أقوى يمكن أن تمد هذا المدى إلى 15 كيلومتراً.
يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو مستقبل لا تقتصر فيه الاتصالات الكمومية على المباني الثابتة أو الكابلات. فمن خلال إثبات إمكانية تبادل المفاتيح الآمنة بين منصات متحركة، وضع الباحثون حجر الأساس لشبكة كمومية ديناميكية. وفي مثل هذه الشبكة، يمكن للمركبات والطائرات بدون طيار والأجهزة المتنقلة الأخرى إنشاء اتصالات آمنة أثناء الحركة، وتبادل المفاتيح، ثم الانفصال لاستخدام تلك المفاتيح في اتصالات مشفرة لمسافات طويلة. إن القدرة على تبديل المعدات بين المنصات المختلفة في أقل من ساعة تشير إلى إمكانية تطويع هذه التكنولوجيا لمختلف الاحتياجات، من التطبيقات العسكرية إلى الخدمات اللوجستية الآمنة. ورغم أن النظام ليس جاهزاً بعد للاستخدام التجاري الواسع، إلا أن هذا العرض يوضح أن فيزياء الأمن الكمومي يمكنها الصمود أمام اضطرابات العالم الحقيقي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.