Proof-of-principle long-distance Sagnac twin-field quantum key distribution network
تقدم هذه الورقة أول عرض تجريبي لشبكة توزيع مفاتيح كمية من نوع "ساغناك" ذات الحقل التوأم بعيدة المدى لثلاثة مستخدمين تغطي مسافة 127 كم، محققةً تداخلاً عالي الوضوح ومستقراً ومعدلات مفاتيح آمنة دون الحاجة إلى تثبيت طور نشط أو تعويض لاحق.
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 يمكن فيه لشخصين مشاركة رمز سري يستحيل سرقته مادياً. هذا هو الوعد الذي يقدمه توزيع المفاتيح الكمومية، وهي طريقة للاتصال تستخدم جسيمات فردية من الضوء لإنشاء رابط آمن. إذا حاول لص التلصص على الرسالة أثناء انتقالها، فإن قوانين الفيزياء تضمن تغير الرسالة، مما ينبه المرسل والمستقبل بأن الخط قد تم اختراقه. لعقود من الزمن، نجح العلماء في بناء هذه الخطوط الآمنة بين نقطتين متباعدتين. ومع ذلك، فإن العالم الحقيقي ليس مكوناً من اتصالات بسيطة من نقطة إلى نقطة؛ بل هو شبكة معقدة من المدن والبلدات التي تحتاج إلى التواصل مع بعضها البعض. ولجعل هذه التكنولوجيا مفيدة للجميع، يجب أن ننتقل من ربط صديقين إلى بناء شبكة يمكنها ربط الكثيرين، كل ذلك مع الحفاظ على قوة الإشارة عبر مئات الكيلومترات من كابلات الألياف الضوئية.
يتمثل التحدي في بناء مثل هذه الشبكة في أن إشارات الضوء تخبو أثناء انتقالها عبر الألياف الزجاجية. في الماضي، كان تمديد هذه الاتصالات الآمنة يتطلب معدات باهظة الثمن وحساسة لتصحيح الإشارة باستمرار، أو كان الأمر يقتصر على مسافات قصيرة جداً. ويقدم نهج أحدث، يُعرف باسم توزيع المفاتيح الكمومية ثنائي الحقل، طريقة لإرسال الإشارات لمسافات أبعد بكثير من خلال جعل مستخدمين يرسلان ضوءهما إلى محطة مركزية ليلتقيا في المنتصف. وبينما أظهرت هذه الطة وعوداً كبيرة في المختبر، إلا أن معظم التجارب كانت مقتصرة على مستخدمين اثنين فقط أو تطلبت أنظمة نشطة ومعقدة لتثبيت الإشارة. ظل السؤال قائماً: هل يمكن لهذا أن يعمل في شبكة حقيقية متعددة المستخدمين تمتد عبر مسافات طويلة دون الحاجة إلى تدخل تقني عالٍ ومستمر؟
لقد أجاب فريق من الباحثين الآن على هذا السؤال من خلال بناء نموذج أولي عامل لشبكة كمومية مكونة من ثلاثة مستخدمين تمتد على مسافة 127 كيلومتراً. وتثبت تجربتهم، الموصوفة في دراسة حديثة، أنه من الممكن توليد مفاتيح آمنة بين أي زوج من المستخدمين باستخدام شبكة على شكل حلقة باستخدام معدات بسيطة ومنخفضة التكلفة نسبياً. وبدلاً من الاعتماد على أنظمة نشطة ومعقدة لضبط طور الضوء باستمرار، استخدم الفريق ترتيباً ذكياً يسمى مقياس تداخل "ساغناك" (Sagnac interferometer). يسمح هذا الإعداد للضوء بالانتقال في اتجاهين حول حلقة، ليلتقيا مجدداً في المركز. ولأن الضوء يسافر في كلا الاتجاهين عبر نفس الألياف، فإن النظام يلغي طبيعياً العديد من الاضطرابات التي عادة ما تفسد الإشارة، مثل تغيرات درجات الحرارة أو الاهتزازات. هذه الطبيعة "القابلة للتشغيل المباشر" تعني أن الشبكة يمكن أن تظل مستقرة دون الحاجة إلى تثبيت طور نشط أو تعويض لاحق، وهو ما يتطلبه عادةً في تجارب المسافات الطويلة.
قام الباحثون بإعداد شبكتهم مع ثلاثة مستخدمين، أطلق عليهم أليس، وبوب، وداني، متصلين في حلقة. بلغ الطول الإجمالي لكابل الألياف الضوئية المستخدم 127 كيلومتراً، ويتكون من أربع بكرات كبيرة من الألياف فائقة انخفاض الفقد. وبين المستخدمين والمحطة المركزية، تباينت المسافات، مما خلق شبكة غير متماثلة حيث تكون بعض المسارات أطول من غيرها، تماماً مثل مخطط مدينة في العالم الحقيقي. وللتعامل مع الضوضاء التي تحدث طبيعياً عندما يرتد الضوء داخل الليف، استخدم الفريق تقنية تسمى "نمط الدفقات" (burst patterning). يتضمن ذلك إرسال الضوء في دفقات قصيرة وموقوتة بدلاً من تدفق مستمر، مما يساعد على فصل الإشارة المفيدة عن ضوضاء الخلفية. كما طبقوا نظاماً للحفاظ على استقطاب الضوء؛ وبما أن اتجاه موجات الضوء يمكن أن ينحرف أثناء انتقالها عبر الليف، فقد استخدم الفريق وحدات تحكم إلكترونية لمراقبة وضبط الضوء باستمرار، لضمان بقائه في الحالة الصحيحة للتداخل بشكل صحيح عندما يلتقي المساران.
على مدار ساعة واحدة، أظهر النظام استقراراً ملحوظاً. قاس الباحثون مدى جودة تداخل موجات الضوء مع بعضها البعض، وهي قيمة تُعرف باسم "الوضوح" (visibility)، ووجدوا أنها ظلت مستقرة عند 93 بالمائة. هذا المستوى العالي من الاستقرار أمر بالغ الأهمية لأنه يضمن إمكانية توليد المفتاح السري دون الكثير من الأخطاء. نجح الفريق في توليد مفاتيح آمنة لزوجين مختلفين من المستخدمين. في السيناريو الأول، تواصلت أليس وبوب عبر قناة بطول 102 كيلومتر مع إجمالي فقد في الإشارة قدره 45 ديسيبل. ورغم هذا الفقد الكبير، حققا معدل مفتاح آمن قدره 1.398 مضروباً في 10 أس سالب 5 بت لكل نبضة. وفي السيناريو الثاني، تواصلت أليس وداني عبر قناة بطول 77 كيلومتراً وفقد قدره 34 ديسيبل، محققين معدل مفتاح أعلى. كما أخذت التجربة في الاعتبار الكمية المحدودة من البيانات التي تم جمعها، مما أظهر إمكانية توليد مفاتيح آمنة حتى مع وجود بيانات محدودة، وهو مطلب حاسم للنشر في العالم الحقيقي.
إن ما يجعل هذا الإنجاز مهماً للغاية هو المعدات المستخدمة. عملت الشبكة بأكملها باستخدام كواشف الانهيار الفوتوني المنفرد (single-photon avalanche detectors)، وهي مكونات قياسية ومتوفرة تجارياً، بدلاً من الكواشف فائقة التوصيل المكلفة والمعقدة التي غالباً ما تتطلبها تجارب المسافات الطويلة. علاوة على ذلك، استخدم النظام ليزراً تجارياً واحداً ولم يتطلب من المستخدمين ضبط ليزراتهم على تردد محدد، وهي عملية تتطلب عادةً أجهزة معقدة. ومن خلال إثبات أن شبكة متعددة المستخدمين يمكن أن تعمل عبر ألياف طويلة دون تثبيت طور نشط، أظهر الباحثون مساراً نحو مستقبل أكثر عملية وفعالية من حيث التكلفة للاتصالات الكمومية. ويشير هذا العمل إلى أن حلم الإنترنت الكمومي واسع النطاق ليس مجرد إمكانية نظرية، بل هو واقع هندسي يمكن بناؤه باستخدام التكنولوجيا الحالية. وتشير النتائج إلى أن الحواجز أمام توسيع الشبكات الكمومية يتم خفضها، مما يقرب هذه التكنولوجيا من اليوم الذي يصبح فيه الاتصال الآمن ميزة قياسية في بنيتنا التحتية العالمية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.