Quantum key distribution over a 2 km free-space channel with a high secure key rate
يُثبت هذا البحث تجريبيًا نظام توزيع مفاتيح كمية في الفضاء الحر بمعدل مرتفع عبر قناة خارجية بطول 2 كم، يستخدم تصحيحًا نشطًا لترنح الحزمة لتحقيق معدل مفتاح آمن يبلغ 164.8 كيلوبت في الثانية رغم الاضطرابات الجوية.
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 أنك تحاول إرسال رسالة سرية باستخدام كشاف ضوئي، ولكن بدلاً من الكلمات، أنت ترسل ومضات من جسيمات ضوئية متناهية الصغر وغير مرئية تسمى الفوتونات. في عالم الفيزياء الكمية، هذه الفوتونات مميزة لأنها تعمل كرسل سحريين: إذا حاول أي شخص التلصص عليها أو سرقة الرسالة أثناء طيرانها في الهواء، فإن الرسالة تتغير فوراً، مما ينبه المرسل والمستقبل بأنه قد تم كشف أمره. هذا هو جوهر "توزيع المفتاح الكمي" (QKD)، وهي طريقة لإنشاء شفرات غير قابلة للكسر. وبينما نرسل هذه الرسائل عادةً عبر ألياف زجاجية مدفونة تحت الأرض، يتوق العلماء لإرسالها عبر السماء المفتوحة. هذا النهج "في الفضاء الحر" يشبه الترقية من هاتف أرضي إلى جهاز لاسلكي يمكنه العمل على السيارات المتحركة، أو الطائرات بدون طجرة، أو حتى الأقمار الصناعية، مما يربط الأماكن التي يصعب الوصول إليها. ومع ذلك، فإن السماء مكان فوضوي؛ فالهواء ليس فارغاً، بل مليء بالتيارات الخفية من الحرارة والرياح التي تعمل مثل عدسة متذبذبة، مما يجعل شعاع الكشاف الضوئي يرقص ويتعرج ويخطئ هدفه. وإذا أخطأ الشعاع هدفه، تضيع الرسالة السرية.
هذا هو التحدي الذي واجهه فريق من الباحثين في وكالة تطوير الدفاع في كوريا. لقد أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم إرسال مفتاح سري عالي السرعة وفائق الأمان عبر الهواء لمسافة كيلومترين، حتى عندما تحاول الغلاف الجوي تفكيك إشارتهم. فكر في الأمر كأنك تحاول رمي طائرة ورقية صغيرة وهشة داخل صندوق بريد محدد بينما تقف في رياح قوية وعاصفة. بدون مساعدة، ستتطاير الطائرة على الأرجح بعيداً عن مسارها. قام الفريق ببناء نظام يعمل مثل ذراع آلية فائقة السرعة تقوم بضبط توجيه الرامي باستمرار للحفاظ على مسار الطائرة مستقيماً. لم يكتفوا بمجرد محاولة رمي الطائرة، بل نجحوا في رميها بمعدل 100 مليون مرة في الثانية (معدل تكرار 100 ميجاهرتز) ومع ذلك التقطوها بأمان.
قام الباحثون بإعداد "لعبة" بين صديقين، يُطلق عليهما تقليدياً "أليس" (المرسل) و"بوب" (المستقبل)، عبر مسار خارجي بطول كيلومترين. استخدمت "أليس" جهاز إرسال متطور يطلق نبضات ضوئية قصيرة جداً لدرجة أنها استمرت 2.5 نانو ثانية فقط (أي 2.5 من مليارات الأجزاء من الثانية). ولضمان أمن الرسالة، استخدموا حيلة ذكية تسمى طريقة "الحالة الخداعية" (decoy-state). تخيل أن "أليس" ترسل صناديق كنز حقيقية ممزوجة بصناديخ خداعية فارغة لخداع أي جواسيس. إذا حاول جاسوس سرقة صندوق خداعي، فسيتم كشفه؛ وإذا حاول سرقة كنز حقيقي، فإن قوانين الفيزياء تضمن ملاحظة السرقة. سمح هذا الإعداد بإرسال كمية هائلة من البيانات دون الوقوع ضحية للمخترقين الذين يحاولون تقسيم جزيئات الضوء لسرقة المعلومات.
لكن السحر الحقيقي حدث عند جهة الاستقبال. أدرك الفريق أن الهواء سيؤدي إلى جعل الشعاع "يتمايل"، أو ينحرف عن الهدف، تماماً مثل مؤشر الليزر الذي يهتز في يدك. ولإصلاح ذلك، بنوا نظام تثبيت نشط. استخدموا ليزر توجيه كلاسيكي ساطع (مثل كشاف البحث) يسافر جنباً إلى جنب مع الرسالة الكمية السرية. وفي نهاية جهة المستقبل، كانت كاميرا تراقب ليزر التوجيه هذا. وإذا بدأ الليزر في الانحراف بسبب الرياح أو الحرارة، يقوم النظام فوراً بحساب الخطأ ويرسل إشارة إلى "مرآة التوجيه السريع" (FSM). هذه المرآة تشبه مجدافًا صغيراً فائق السرعة يميل آلاف المرات في الثانية لدفع الشعاع برفق للعودة إلى مساره الصحيح. كما استخدموا مستشعرات خاصة تسمى "كواشف الموضع الحساسة" (PSDs) لتتبع موضع الشعاع بدقة مذهلة.
كانت النتائج مبهرة. عندما أوقفوا نظام التثبيت النشط هذا، عانى النظام، وفقد الكثير من الرسائل السرية وولد معدل مفتاح يبلغ حوالي 103,000 بت في الثانية (103 كيلو بت في الثانية). ولكن عندما قاموا بتشغيل نظام التثبيت، ارتفع الأداء بشكل كبير؛ حيث قفز معدل المفتاح الآمن إلى 164.8 كيلو بت في الثانية، وانخفض عدد الأخطاء في الرسالة إلى نسبة منخفضة جداً بلغت 3.3%. كما أصبح النظام أكثر موثوقية، حيث انخفض "الاضطراب" أو عدم الاتساق في النتائج إلى النصف. وقد قاس الباحثون أن نظام التثبيت الخاص بهم يمكنه تصحيح الاضطرابات التي تحدث بمعدل يصل إلى 60 مرة في الثانية، وقاموا بضبط حلقة التحكم الخاصة بهم لتستجيب بشكل أسرع، بأكثر من 500 مرة في الثانية، لضمان بقاء الشعاع ثابتاً.
كما أجرى الفريق عمليات محاكاة لمعرفة المدى الذي يمكن أن تصل إليه هذه التكنولوجيا. بناءً على إعدادهم الحالي وظروف الهواء الصافية التي اختبروها، حسبوا أن هذه البنية التحتية نفسها يمكن نظرياً أن تعمل عبر مسافات تصل إلى 30 كيلومتراً (حوالي 18.6 ميلاً)، رغم أن السرعة ستكون أبطأ عند هذه المسافة. لم يختبروا مسافة الـ 30 كم فعلياً، لكن الرياضيات تشير إلى أن ذلك ممكن. يثبت هذا العمل أنه مع وجود "الأذرع الآلية" المناسبة لتثبيت الشعاع، يمكننا بناء مستقبل لا يكون فيه الاتصال الكمي عالي السرعة فائق الأمان مقتصرًا على كابلات الألياف الضوئية فحسب، بل يمكنه الطيران بحرية في السماء، ليربط المركبات المتحركة والمحطات النائية في شبكة عالمية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.