A Reconfigurable Multilayer Quantum Key Distribution Network over Existing Metropolitan Fibre

في عالم الاتصالات الآمنة، يوجد فرق جوهري بين إخفاء الرسالة وإخفاء المفتاح اللازم لفتحها. لعقود من الزمن، اعتمدت أكثر الطرق أماناً لإرسال رسالة سرية على رياضيات معقدة، بافتراض أنه لا يمكن لأي حاسوب حل اللغز بالسرعة الكافية لفك الشفرة. ومع ذلك، مع ازدياد قوة الحواسيب، أصبحت شبكة الأمان الرياضية هذه تزداد رقة. ويقدم نهج مختلف، يُعرف باسم توزيع المفاتيح الكمومية، طريقة لإنشاء مفاتيح سرية محمية ليس بالرياضيات، بل بقوانين الفيزياء نفسها. فعندما يحاول شخصان مشاركة سر باستخدام هذه الطريقة، فإن أي محاولة من طرف ثالث للتنصت ستؤدي حتماً إلى إحداث اضطراب في الإشارة، مما ينبه المستخدمين إلى أن الاتصال قد تم اختراقه. وبينما انتقلت هذه التكنولوجيا من المختبرات إلى الاختبارات في العالم الحقيقي، لا تزال هناك عقبة رئيسية: كيف يمكن ربط العديد من المستخدمين عبر مدينة دون مد كميات هائلة من كابلات الألياف الضوئية الجديدة والمكلفة.

لقد تصدى باحثون في قبرص لهذا التحدي من خلال بناء شبكة آمنة مكونة من سبع عقد فوق البنية التحتية القائمة للمدينة، مما أثبت أن الأمن الكمومي يمكن نسجه في الزوايا المظلمة لشبكة الاتصالات الحديثة. وبدلاً من بناء شبكة جديدة من الصفر، استغل الفريق كابلات الألياف الضوئية الموجودة بالفعل تحت شوارع نيقوسيا، والتي تم تركيبها في الأصل لحركة بيانات الإنترنت والهاتف العادية. وقد أثبتوا أنه من الممكن مشاركة هذه الكابلات بين البيانات العادية والمفاتيح الكمومية فائقة الأمان، باستخدام نظام مرن يمكنه إعادة تكوين الاتصالات بشكل فوري. وعلى مدار 73 يوماً، نجحت هذه الشبكة في توليد وتوزيع كمية هائلة من مواد المفاتيح السرية، بما يكفي لتشفير كميات ضخمة من البيانات، مع الحفاظ على اتصال متاح بنسبة تزيد عن 99 بالمائة. وأظهر المشروع أنه من خلال التعامل مع الشبكة كنظام حي وقابل للتكيف بدلاً من كونها مجموعة ثابتة من الأسلاك، فإنه من الممكن توسيع نطاق الاتصالات الآمنة ليشمل عدداً أكبر من المستخدمين دون الحاجة إلى أجهزة إضافية.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في كيفية إدارة الباحثين للقيود الفيزيائية لشبكة الألياف الضوئية في المدينة. فقد قسموا الشبكة إلى مجموعتين متميزتين من المستخدمين؛ شكلت المجموعة الأولى حلقة من أربعة مواقع حكومية، بينما تكونت المجموعة الثانية من ثلاثة مواقع أخرى. وفي الإعداد التقليدي، يتطلب ربط هاتين المجموعتين جهاز إرسال مخصصاً لكل اتصال ممكن، وهو حل مكلف وغير عملي. وبدلاً من ذلك، قام الفريق بتثبيت نظام تبديل ذكي في نقطة مركزية في الشبكة. سمح هذا النظام لجهاز إرسال كمومي واحد بخدمة غرضين مختلفين في أوقات مختلفة. فمن خلال قلب مفتاح، يمكن لجهاز الإرسال إما الاتصال مباشرة بعقدة قريبة أو إعادة توجيهه لسد الفجوة بين المجموعتين المنفصلتين، مما يحول الشبكتين المعزولتين فعلياً إلى شبكة واحدة كبيرة ومترابطة. هذا الإجراء البسيط لإعادة التكوين زاد من عدد الاتصالات الآمنة الممكنة بين المستخدمين بنسبة 133 بالمائة، وكل ذلك دون إضافة جهاز إرسل واحد جديد إلى النظام.

ومع ذلك، أدى مشاركة نفس المساحة الفيزيائية مع حركة مرور الإنترنت العادية إلى ظهور عقبات تقنية كبيرة. فقد كانت كابلات الألياف تحمل كل من الإشارات الكمومية الحساسة والبيانات القوية وعالية السرعة للشبكة التقليدية. في الإعداد الأولي، حاول الباحثون إرسال جميع الإشارات الكمومية على نفس لون الضوء بالضبط، أو الطول الموجي، مما تسبب في حدوث تداخل وتقليل جودة الاتصال. ولحل هذه المشكلة، أعادوا تصميم النظام لفصل الإشارات بعناية أكبر؛ حيث أبقوا الإشارات الكمومية على لونها الأصلي، لكنهم استخدموا ضوابط دقيقة لدرجة الحرارة ومرشحات ضيقة لفصلها قليلاً عن بعضها البعض، بينما نقلوا إشارات التزامن إلى ألوان مختلفة تماماً. هذا التعديل، الذي أضاف قدراً صغيراً من فقدان الإشارة، أدى في الواقع إلى تحسين الأداء العام من خلال القضاء على التداخل الذي كان يعاني منه النظام. وكانت النتيجة شبكة مستقرة حيث يمكن لأربعة روابط كمومية مختلفة العمل في وقت واحد على نفس مسار الألياف دون أن تتداخل مع بعضها البعض.

جاء الاختبار الحقيقي لهذه البنية عندما وضعت الشبكة تحت ضغط الطلب في العالم الحقيقي. قام الباحثون بتشغيل النظام باستمرار لأكثر من شهرين، ومراقبة كيفية تعامله مع التدفق المستمر للبيانات والحاجة العرضية لتبديل الاتصالات. ووجدوا أن الشبكة ولدت إجمالاً 119.4 جيجابت من مواد المفاتيح السرية خلال هذه الفترة. وهذا مقدار كبير من الوقود الرقمي، يكفي لتأمين مجموعة واسعة من الاتصالات. وظل النظام يعمل بنسبة 99.1 بالمائة من الوقت، وهي نسبة موثوقية تضاهي أفضل خدمات الاتصالات التجارية. وعندما اختبر الباحثون قدرة الشبكة على التعامل مع التغييرات المفاجئة، وجدوا أن تبديل جهاز الإرسال من اتصال إلى آخر يستغرق حوالي 17 دقيقة قبل أن تصبح المفاتيح الجديدة جاهزة للاستخدام مرة أخرى. وبينما قد يبدو هذا التأخير طويلاً، إلا أنه مقايضة يمكن إدارتها مقابل القدرة على إعادة استخدام المعدات باهة الثمن وخدمة المزيد من المستخدمين.

تتمثل إحدى الرؤى الحاسمة من الدراسة في كيفية إدارة الشبكة للمفاتيح التي تولدها. فالنظام لا يتطلب وجود رابط كمومي نشط في اللحظة التي يحتاج فيها المستخدم إلى مفتاح. بدلاً من ذلك، يعمل النظام مثل خزان، حيث يخزن المفاتيح التي يتم توليدها خلال فترات الإنتاج العالي. وعندما يطلب مستخدم اتصالاً آمناً بين نقطتين متباعدتين، يسحب النظام من هذه الاحتياطيات المخزنة، ويوجه الطلب عبر عقد وسيطة تعمل كجهات ترحيل موثوقة. وهذا يعني أنه حتى لو كان الرابط الفيزيائي غير نشط مؤقتاً أو يتم تحويله لمهمة أخرى، يمكن للخدمة أن تستمر دون انقطاع طالما توفرت مواد مفاتيح مخزنة كافية. وقد لاحظ الباحثون أن تأثير التخزين المؤقت هذا سمح للشبكة بالحفاظ على توافر الخدمة حتى أثناء إعادة تكوين الأجهزة الفيزيائية، مما أدى فعلياً إلى فصل لحظة توليد المفتاح عن لحظة استخدامه.

كما كشفت التجربة أيضاً كيف تؤثر البنية الفيزيائية للشبكة على سرعة الخدمة. فعندما طلب المستخدمون مفاتيح بين نقاط قريبة فيزيائياً، قدمها النظام بسرعة. ومع ذلك، كلما تطلبت الطلبات انتقال المفاتيح عبر المزيد من العقد الوسيطة، تباطأت سرعة التسليم. وذلك لأن كل خطوة في الرحلة تستهلك جزءاً من المفاتيح المخزنة، ويجب على النظام الانتظار لتوليد مواد جديدة كافية لتعويض الإمدادات. وأظهرت الدراسة أنه بينما يمكن للشبكة التعامل مع الطلبات المعقدة متعددة القفزات، إلا أن الكفاءة تنخفض مع طول المسار. وتسلط هذه النتيجة الضوء على أهمية الموازنة بين الرغبة في الاتصال بعيد المدى والحدود العملية لسرعة توليد وتخزين المفاتيح.

في النهاية، يوضح هذا العمل أن مستقبل الاتصالات الآمنة لا يتطلب بالضرورة عملية إصلاح شاملة لبنيتنا التحتية الحالية. فمن خلال تكييف شبكات الألياف الضوئية الحالية بعناية وإدخال أنظمة تحكم ذكية، يمكن إنشاء طبقة أمن كمومي تتواجد جنباً إلى جنب مع حركة مرور الإنترنت اليومية. لقد أثبت الباحثون في قبرص أن الشبكة يمكن أن تكون مرنة وموثوقة، وقادرة على التكيف مع المتطلبات المتغيرة مع الحفاظ على أعلى معايير الأمان. ويشير نجاحهم إلى أن الطريق نحو مستقبل آمن كمومياً لا يكمن في بناء مدن كاملة من الألياف الجديدة، بل في تعلم كيفية تحقيق أقصى استفادة من الأسلاك التي نمتلكها بالفعل. إن القدرة على توليد وتخزين وتوجيه المفاتيح السرية عبر بيئة مشتركة ومعقدة تمثل خطوة مهمة نحو جعل الأمن الكمومي حقيقة عملية للحكومات والمنظمات التي تحتاج إلى حماية معلوماتها الأكثر حساسية.