Experimental Correlation of Electrical and Optical Noise in a DFB Laser: Implications for Quantum Key Distribution and Quantum Random Number Generation

في عالم الاتصالات الآمنة غير المرئي، الضوء هو الرسول. يستخدم العلماء نبضات ضئيلة من ضوء الليزر لحمل رموز سرية لا يمكن فك شفرتها حتى بواسطة أقوى الحواسيب. تعتمد هذه التكنولوجيا، المعروفة باسم توزيع المفتاح الكمي، على حقيقة أن الضوء نفسه يتكون من جسيمات فردية تتصرف بطرق لا يمكن التنبؤ بها. وفي الوقت نفسه، تستخدم أنظمة أخرى الارتجاف والترنح الطبيعي لخطوط الضوء هذه لإنشاء عشوائية حقيقية، وهي الأساس لتوليد أرقام لا يمكن تخمينها. ولكي تنجح كلتا المهمتين، يجب أن يكون الليزر مستقراً تماماً، ومع ذلك فهو ليس صامتاً حقاً أبداً. فكل ليزر يتم تشغيله بواسطة تيار كهربائي، ومثلما للنهر تموجات، فإن للكهرباء تقلبات عشوائية صغيرة. والسؤال المركزي للمهندسين هو ما إذا كانت هذه التموجات الكهربائية تترك أثراً على شعاع الضوء الذي تغذيه. إذا فعلت ذلك، فقد يتمكن مراقب ذكي من الاستماع إلى الكهرباء لتخمين ما يفعله الضوء، مما يؤدي إلى كسر السرية. بدلاً من ذلك، إذا فُهم هذا الاتصال، يمكن حصاد ذلك الضجيج الكهربائي نفسه لإنشاء عشوائية أكبر مما يمكن للضوء وحده توفيره.

لقد شرع باحث في جامعة دمشق في قياس هذا الاتصال الخفي بدقة متناهية. فقد ركز على نوع محدد من الليزر يسمى ليزر التغذية المرتدة الموزعة (distributed-feedback laser)، وهو من الأدوات القياسية في اتصالات الألياف الضوئية، ويعمل عند طول موجي قدره 1550 نانومتر. وبدلاً من النظر إلى الضوء والكهرباء بشكل منفصل، قام بقياسهما في اللحظة ذاتها تماماً. وباستخدام أدوات رقمية عالية السرعة، رصد التقلبات الضئيلة في التيار الكهربائي الذي يغذي الليزر والتقلبات المقابلة في سطوع الضوء الخارج منه. ثم قارن بين هذين التدفقين من البيانات ليرى مدى تقاربهما في الحركة. وأظهرت النتائج وجود رابط واضح وقوي بينهما، ولكن عند السرعات المنخفضة فقط. فعندما نظر الباحث إلى الترددات التي تقل عن مليون دورة في الثانية، وجد أن الضجيج الكهربائي والضجيج الضوئي كانا متزامنين بدقة، حيث يتحركان معاً بنحو 82 بالمائة من الوقت. ومع زيادة سرعة التقلبات، تلاشى هذا الاتصال بسرعة، ليصبح شبه معدوم عند الترددات العالية جداً حيث يهتز الليزر بشكل طبيعي.

تعتمد تداعيات هذا الاكتشاف على الغرض الذي يُستخدم من أجله الليزر. فبالنسبة لأنظمة الاتصالات الآمنة التي تتبادل المفاتيح السرية، وجد الباحث أن هذا الرابط لا يشكل خطراً بشكل عام. فرغم أن الضجيج الكهربائي والضوء مرتبطان، إلا أن كمية المعلومات السرية التي يمكن نظرياً سرقتها عبر الاستماع إلى الجانب الكهربائي ضئيلة جداً لدرجة أنها لا تُذكر مقارنة بإجمالي البيانات التي يتم إرسالها. ففي نظام يعمل بمليار نبضة في الثانية، يقل التسريب المحتمل عن جزء من عشرة ملايين من البت لكل نبضة. وهذا يعني أنه مع الإلكترونيات الهادئة والمعيارية، يظل الليزر آمناً. ومع ذلك، يؤكد الباحث أن هذا القياس يوفر وسيلة لاعتماد أمان الليزر؛ فمن خلال مراقبة الضجيج الكهربائي في الوقت الفقيقي، يمكن للنظام اكتشاف ما إذا كان الليزر يتقادم أو يتدهور، مما قد يزيد من الضجيج ويخلق ثغرة أمنية محتملة.

أما بالنسبة للتطبيق الرئيسي الآخر، وهو توليد الأرقام العشوائية، فالقصة مختلفة تماماً. هنا، لا يعد الاتصال بين الكهرباء والضوء مشكلة يجب حلها، بل مورداً يجب استخدامه. ولأن الضجيج الكهربائي والضجيج الضوئي مرتبطان، فهما يحتويان على معلومات متداخلة. وقد أظهر الباحث أنه من خلال استخدام عملية رقمية بسيطة لفك هذا الارتباط، يمكن معاملة مصدري الضجيج هذين كمصدرين مستقلين. وقد سمح هذا بدمج العشوائية من كل من الكهرباء والضوء دون تكرار نفس المعلومات. وكانت النتيجة تحسناً كبيراً في الأداء؛ فنظام كان يولد سابقاً 80 مليون بت عشوائي في الثانية باستخدام ضجيج الضوء فقط، تمكن من زيادة إنتاجه إلى 96 مليون بت في الثانية عن طريق إضافة الضجيج الكهربائي إلى المزيج. ويمثل هذا تحسناً بنسبة عشرين بالمائة في سرعة إنشاء العشوائية الحقيقية.

يخلص البحث إلى أن فهم العلاقة بين الكهرباء التي تشغل الليزر والضوء الذي تنتجه أمر ضروري لمستقبل التكنولوجيا الكمية. إن الارتباط القوي عند الترددات المنخفضة هو واقع فيزيائي ناتج عن كيفية استجابة المكونات الداخلية لليزر للتغيرات في التيار. وبينما يشكل هذا السلوك خطراً ضئيلاً على الأمن في الأنظمة المصممة جيداً، فإنه يوفر أداة قوية لتحسين كفاءة مولدات الأرقام العشوائية. ومن خلال قياس هذه الارتباطات مباشرة، يمكن للمهندسين الآن التحقق من جودة مصادر الليزر الخاصة بهم وتحسين أنظمتهم لاستخراج أقصى قدر من المعلومات المفيدة من الضجيج الطبيعي للجهاز. هذا العمل يسد الفجوة بين القياسات الكهربائية المعيارية والمتطلبات الصارمة للأمن الكمي، مما يوفر طريقة عملية لضمان أن أجهزة الليزر التي تشغل مستقبلنا الرقمي هي آمنة وفعالة في آن واحد.