Efficient Heralding of Loss-Tolerant Photonic GHZ States for Device-Independent Conference Key Agreement over Long Distances

في السعي لبناء إنترنت غير قابل للاختراق حقاً، يتجه العلماء نحو القواعد الغريبة لميكانيكا الكم. وفي قلب هذا الجهد يكمن مفهوم يُسمى "التشابك"، حيث تصبح الجسيمات مرتبطة بعمق بحيث أن قياس أحدها يكشف فوراً عن حالة الآخر، بغض النظر عن مدى بعدهما عن بعضهما البعض. تتيح هذه الظاهرة لمجموعة من الأشخاص توليد رمز سري مشترك يستحيل رياضياً على أي متصنت اعتراضه دون أن يتم اكتشافه. ومع ذلك، هناك عقبة رئيسية: الإشارات الضوئية التي تنتقل عبر كابلات الألياف الضوئية أو الهواء تتلاشى حتماً. ومع زيادة المسافة، تضعف الإشارة، وينكسر الرابط الكمي الدقيق. بالنسبة لشبكة تضم العديد من المستخدمين، يمثل فقدان الإشارة هذا عنق زجاجة خطيراً، مما يجعل الاتصالات بعيدة المدى مستحيلة في كثير من الأحيان باستخدام التكنولوجيا الحالية.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة للتغلب على هذا الحاجز من خلال تغيير الطبيعة ذاتها للضوء الذي يستخدمونه. فقد اكتشفوا أن ليست كل الحالات الكمية متساوية في الهشاشة عند مواجهة فقدان الإشارة. وبينما قد تبدو حالتان كميتان مختلفتان متطابقتين في عالم مثالي خالٍ من الفقد، إلا أنهما تتصرفان بشكل مختلف تماماً عندما تُفقد الفوتونات في الطريق. أظهر الفريق أنه باستخدام نوع محدد من حالات الضوء — وهو النوع الذي يتضمن مزيجاً من عدم وجود فوتونات ووجود العديد من الفوتونات — استطاعوا الحفاظ على الرابط الكمي لمسافات أبعد بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. يتيح هذا الاختراق إنشاء مفاتيح سرية آمنة بين أطراف متعددة عبر مسافات تزيد عن 150 كيلومتراً، حتى مع وجود الكواشف غير المثالية المتاحة اليوم.

ركز الباحثون على تحدٍ محدد يُعرف باتفاق المفتاح الجماعي المستقل عن الأجهزة (device-independent conference key agreement). في هذا السيناريو، يرغب عدة أشخاص في الاتفاق على رمز سري دون الحاجة إلى الوثوق بالأجهزة التي يستخدمونها. ولإثبات أمن اتصالهم، يجب عليهم إجراء اختبار يثبت أن جسيماتهم متشابكة حقاً. المشكلة هي أنه إذا فُقدت الكثير من الجسيمات قبل وصولها إلى الكواشف، يفشل الاختبار، ولا يمكن التحقق من الأمن. اعتمدت الطرق السابقة على إرسال عدد ثابت من الفوتونات، وهو أمر يشبه محاولة إرسال رسالة عن طريق عد عدد معين من الكرات الزجاجية؛ فإذا فُقدت كرة واحدة حتى، يصبح العد خاطئاً وتفسد الرسالة. يستخدم النهج الجديد استراتيجية مختلفة، تشبه إرسال رسالة تكون إما صفحة بيضاء أو صفحة مليئة بالنصوص. فإذا أُرسلت الصفحة البيضاء، لا يهم فقدان فوتون لأنه لم يكن هناك شيء ليُفقد في الأصل. هذه الحالة "الفراغ-و-الفوتون" (vacuum-n-photon) هي بطبيعتها أكثر صموداً أمام التلاشي الذي يحدث عبر المسافات الطويلة.

ولوضع هذه الفكرة موضع التنفيذ، صمم الفريق شبكة على شكل نجمة حيث يرسل مستخدمون متعددون إشاراتهم الضوئية إلى محطة مركزية. وفي منتصف هذه المحطة، تُخلط الإشارات معاً باستخدام المرايا ومقسمات الأشعة. أدرك الباحثون أنه لإنشاء الحالة الأكثر صموداً، لا يمكن لجميع المستخدمين إرسال نفس النوع من الضوء تماماً. بدلاً من ذلك، احتاجوا إلى إعداد غير متجانس حيث يرسل بعض المستخدمين فوتوناً واحداً بينما يرسل آخرون زوجاً من الفوتونات. وعندما تلتقي هذه الإشارات المختلفة في المحطة المركزية، يعمل نمط محدد من نبضات الكواشف كـ "مبشر" (herald)، يعلن عن تشكل رابط كمي ناجح بين جميع المستخدمين. هذه الطريقة أكثر كفاءة بكما لو تم إرسال مجموعة جاهزة من الجسيمات المتشابكة من المركز إلى المستخدمين، وهو ما كان سيتطلب نجاة جميع الجسيمات من الرحلة. فمن خلال جعل المستخدمين يرسلون أجزاءهم إلى المركز، تنخفض احتمالية النجاح ببطء أكبر مع زيادة المسافة.

أجرى الفريق عمليات محاكاة دقيقة لمعرفة مدى فعالية هذا النظام في العالم الحقيقي، مع مراعاة حقيقة أن كابلات الألياف الضوئية تمتص الضوء وأن الكواشف ليست مثالية. ووجدوا أن طريقتهم الجديدة يمكنها تحمل معدل أعلى بكثير من فقدان الإشارة مقارنة بالطرق القديمة. بالنسبة لشبكة مكونة من أربعة مستخدمين، يمكن للبروتوكول الجديد توليد مفاتيح آمنة بكفاءة كشف منخفضة تصل إلى 86.5% عند استخدام قياسات مثالية، ولا يزال يعمل بكفاءة تقارب 93.4% باستخدام كواشف أكثر واقعية وعملية من الموجودة حالياً. يعد هذا تحسناً كبيراً، حيث كانت المخططات السابقة تتطلب كواشف شبه مثالية لتعمل على الإطلاق. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه يمكن الحفاظ على الاتصال الآمن عبر مسافات تتجاوز 150 كيلومتراً، وهو نطاق كان بعيد المنال سابقاً لهذا النوع من الشبكات الكمية متعددة المستخدمين.

كان أحد أكثر النتائج إثارة للدهشة هو أن الطريقة التي يتم بها تعيين المستخدمين للاختبار أمر مهم. ولأن المستخدمين يرسلون أنواعاً مختلفة من الضوء، فإن الشبكة ليست متماثلة تماماً. واكتشف الباحثون أن نجاح اختبار الأمن اعتمد على المستخدمين الذين تم تعيينهم لأداء قياسات معينة. ومن خلال الاختيار الدقيق للمستخدمين الذين سيتولون أدواراً محددة، استطاعوا تعظيم قوة الرابط الكمي. تشير هذه الرؤية إلى أن تصميم الشبكة الكمية لا يقتصر فقط على توصيل الكابلات، بل يتعلق أيضاً بالترتيب الاستراتيجي لأنواع مصادر الضوء وأدوار المشاركين للحصول على أفضل أداء.

نظر الباحثون أيضاً في كيفية بناء هذا النظام باستخدام التكنولوجيا الحالية. واقترحوا استخدام عملية شائعة تُسمى "التحويل البارامتري التلقائي الهابط" (spontaneous parametric down-conversion) لتوليد حالات الضوء اللازمة. وبينما هذه الطريقة ليست مثالية ويمكن أن تنتج أحياناً فوتونات إضافية غير مرغوب فيها، فقد أظهر الفريق أن النظام قوي بما يكفي للتعامل مع هذه العيوب. وحتى مع وجود هذه الفوتونات الإضافية، يمكن للشبكة أن تجتاز اختبار الأمن وتولد مفتاحاً سرياً. وهذا يعني أن التكنولوجيا لا تتطلب مكونات غريبة أو مستقبلية، بل يمكن بناؤها بأدوات متوفرة بالفعل في المختبرات.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل مساراً واضحاً لبناء شبكات كمية آمنة يمكن أن تمتد عبر المدن والمناطق. ومن خلال فهم أن البنية الفيزيائية للضوء لا تقل أهمية عن التشابك الكمي نفسه، حدد الباحثون طريقة لجعل هذه الشبكات صامدة أمام الفقد الحتمي للإشارة. وتشير نتائجهم إلى أنه مع الجمع الصحيح بين مصادر الضوء وتصميم الشبكة، يمكننا الاقتراب من مستقبل يكون فيه الاتصال المستقل عن الأجهزة والآمن حقيقة عملية للكثير من المستخدمين، وليس مجرد إمكانية نظرية. وتؤكد الدراسة أنه من خلال الاختيار الدقيق لكيفية ترميز المعلومات في الضوء، يمكننا تمديد نطاق الأمن الكمي إلى ما وراء حدوده الحالية بكثير.