Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing

في مجال الاتصالات الآمنة، اعتمد العلماء لفترة طويلة على القواعد الغريبة لميكانيكا الكم لحماية المعلومات. تخيل نظامًا حيث تؤدي عملية محاولة قراءة الرسالة إلى تغييرها، مما ينبه المرسل إلى وجود من يتنصت. هذا هو أساس توزيع المفاتيح الكمومية، وهي طريقة تُستخدم بالفعل لتوليد رموز تشفير غير قابلة للكسر بين شخصين. ومع ذلك، يبرز تحدٍ أكثر تعقيدًا عندما تحتاج مجموعة من ثلاثة أشخاص أو أكثر إلى مشاركة سر ما، حيث لا يمتلك أي شخص بمفرده الإجابة الكاملة، ويجب على المجموعة العمل معًا لإعادة بناء الحقيقة. يُعرف هذا باسم مشاركة الأسرار الكمومية. وبين أن النظرية سليمة، كان بناء شبكة يمكنها التعامل مع مستخدمين كثر في وقت واحد أمرًا صعبًا. فغالبًا ما تتطلب الطرق التقليدية مصدر ضوء مخصص ومنفصل لكل زوج من المستخدمين، أو أنها تطبق إشارة تحكم واحدة تؤثر على شعاع الضوء بأكره دفعة واحدة. وهذا يجعل من المستحيل إرسال أسرار مختلفة لمجموعات مختلفة من الأشخاص عبر نفس كابل الألياف الضوئية في نفس الوقت، وهو قيد جعل الشبكات الكمومية واسعة النطاق بعيدة المنال.

لقد أثبت باحثون في جامعة فريدريش شيلر يينا ومعهد فراونهوفر للبصريات التطبيقية والهندسة الدقيقة الآن طريقة للتغلب على هذه العقبة. فقد طوروا طريقة جديدة تسمح لمصدر واحد من الضوء المتشابك بخدمة مجموعات متعددة من المستخدمين في آن واحد، بحيث تتلقى كل مجموعة سرها المستقل. حقق الفريق ذلك من خلال التعامل مع الضوء ليس كشعاع واحد متجانس، بل كمجموعة من القنوات اللونية المتميزة، تمامًا كما يحلل المنشور الضوء الأبيض إلى قوس قزح. ومن خلال التحكم الدقيق في توقيت الموجات الضوئية ضمن نطاقات لونية محددة، تمكنوا من تشفير أسرار مختلفة في أجزاء مختلفة من الشعاع نفسه دون أن تتداخل مع بعضها البعض. هذا النهج يحول فعليًا مصدرًا كموميًا واحدًا إلى طريق سريع متعدد الحارات للبيانات الآمنة، حيث تحمل كل حارة رسالة فريدة لزوج محدد من المستلمين.

اعتمدت التجربة على جهاز يولد أزواجًا من الفوتونات، وهي جسيمات الضوء، التي ترتبط بطريقة تكون فيها خصائصها مترابطة تمامًا. في هذا الإعداد، يتم إرسال فوتون واحد إلى متحكم مركزي، يُعرف باسم "الموزع"، بينما يُرسل الآخر إلى الشبكة. يقوم الموزع بعد ذلك بتطبيق نوع معين من التعديل على الضوء، مما يغير الطور، أو توقيت الموجة، لكل قناة لونية بشكل مستقل. تشبه هذه العملية ضبط راديو على محطات مختلفة؛ فتمامًا كما يمكن للراديو التقاط محطة واحدة دون سماع المحطات الأخرى، يمكن لنظام الباحثين عزل وقراءة السر المشفر في قناة لونية واحدة مع تجاهل البقية. استخدم الفريق مصدر ضوء عريض النطاق يمتد عبر مجموعة واسعة من الأطوال الموجية، مما سمح بتقسيم الطيف إلى العديد من الحاويات الترددية المنفصلة. وقد اختاروا أزواجًا محددة من هذه القنوات لتعمل كخطوط اتصال مستقلة، مما يضمن عدم تسرب السر المشترك بين زوج من المستخدمين إلى القناة المستخدمة من قبل زوج آخر.

ولإثبات نجاح هذه الطريقة، اختبر الباحثون نظامهم باستخدام شبكة من قنوات الاتصالات القياسية. لقد نجحوا في تشفير ونقل الأسرار عبر قناتين محددتين ضمن تباعد قدره 200 جيجاهرتز، وهو معيار مستخدم في شبكات الألياف الضوئية الحديثة. وأظهرت النتائج أن الحالات الكمومية التي أنشأوها كانت دقيقة للغاية، حيث طابقت الحالات النظرية المثالية بدقة (fidelity) لا تقل عن 90 بالمائة. هذه الدقة العالية أمر بالغ الأهمية لأنها تعني أن المعلومات ظلت سليمة وآمنة رغم التلاعب المعقد المطلوب لفصل القنوات. كما راقب الفريق النظام باستمرار لضمان بقاء الروابط الكمومية الدقيقة مستقرة، باستخدام حلقة تغذية راجعة تقوم بتعديل المعدات في الوقت الفعلي لمواجهة الاهتزازات البيئية والتغيرات في درجات الحرارة. وحتى مع هذه التعديلات الضرورية، حافظ النظام على جودة عالية للإشارة، مما يدل على أن الطريقة قوية بما يكفي للاستخدام العملي.

إن الآثار المترتبة على هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من تجربة ناجحة واحدة. فقد أظهر الباحثون أن إعدادهم يمكن أن يدعم نظريًا أكثر من 40 قناة تردد مختلفة، مما سيسمح بوجود شبكة متصلة بالكامل لما يصل إلى تسعة مستخدمين باستخدام معدات قياسية. وتعد هذه القدرة على التوسع خطوة مهمة للأمام، حيث إنها تلغي الحاجة إلى مصادر ضوء متعددة ومكلفة لإنشاء شبكة كمومية كبيرة. وبدلاً من ذلك، يمكن لمصدر واحد في مركز الشبكة توزيع الأسرار على أي عدد من أزواج المستخدمين، بشرط أن تكون الشبكة مجهزة بالمرشحات المناسبة لفصل الألوان. وأشار الفريق إلى أنه بينما استخدم عرضهم الحالي مكونات تعمل بسرعات منخفضة نسبيًا، فإن التكنولوجيا الأساسية متوافقة مع أجهزة أسرع بكثير يمكنها في النهاية التعامل مع معدلات بيانات تضاهي سرعات الإنترنت الحالية.

تؤكد الدراسة أنه من الممكن إجراء مشاركة الأسرار الكمومية في شبكة متعددة الإرسال عبر الطول الموجي، وهو إنجاز كان يُعتقد سابقًا أنه محدود بسبب عدم القدرة على التحكم في القنوات الفردية بشكل مستقل. ومن خلال الاستفادة من الارتباطات الترددية الطبيعية لمصدر الضوء وتطبيق تعديل الطور الطيفي الدقيق، فتح الباحثون مسارًا نحو تشفير كمومي أكثر كفاءة وقابلية للتوسع. لا يدعي هذا العمل حل كل مشكلة في هذا المجال، ولكنه يوفر طريقة ملموسة وفعالة من حيث استهلاك الموارد لتوسيع الشبكات الكمومية. إن القدرة على تشغيل جلسات متعددة ومستقلة لمشاركة الأسرار عبر كابل ألياف ضوئية واحد تشير إلى أن البنية التحتية لإنترنت كمومي مستقبلي، قادر على ربط العديد من المستخدمين بشكل آمن، أصبحت ممكنة بشكل متزايد. وتشير النتائج، التي تحققت باستخدام مكونات جاهزة وشبكات اتصالات قياسية، إلى أن الانتقال من التجارب المختبرية إلى التطبيقات الواقعية بات قريب المنال.