Discrete value QKD based on a three MUBs efficient KXB10 protocol using spatial light modes

تخيل عالماً لا تُحمى فيه أسرارك التي ترسلها بواسطة ألغاز رياضية معقدة قد تُحل يوماً ما، بل من خلال القوانين الأساسية للطبيعة نفسها. هذا هو وعد التشفير الكمي، وهو مجال يستخدم السلوك الغريب لجسيمات الضوء الصغيرة، التي تسمى الفوتونات، لإنشاء رموز غير قابสรรقة. في النسخة الأبسط من هذه التكنولوجيا، يقوم شخصان، يُطلق عليهما تقليدياً اسم أليس وبوب، بتبادل مفتاح سري عبر إرسال هذه الفوتونات ذهاباً وإياباً. وإذا حاول طرف ثالث، وهو المتنصت، الاستماع، فإن مجرد النظر إلى الفوتونات يغيرها، مما يترك أثراً واضحاً من الأخطاء ينبه أليس وبوب إلى حدوث الاختراق. ومع ذلك، مع تزايد حاجتنا إلى اتصالات أسرع وأكثر أماناً، يتطلع العلماء إلى ما هو أبعد من هذه الطرق الأساسية؛ فهم يستكشفون طرقاً لإرسال المزيد من المعلومات مع كل جسيم ولجعل النظام أكثر قوة ضد الهواء المضطرب والمليء بالضجيج الموجود بين نقطتين على الأرض.

في دراسة حديثة، بحث الباحثون محمد عمران، وطاهر مالك، ومحمد مبشر خان من جامعة هندسة وتكنولوجيا (NED) في باكستان، في طريقة أكثر تقدماً تسمى بروتوكول KXB10. فبدلاً من استخدام إعدادين فقط لجسيمات الضوء الخاصة بهم، كما تفعل الأنظمة القديمة، يستخدم هذا النهج الجديد ثلاث مجموعات متميزة من الإعدادات، المعروفة باسم القواعد، لتشفير المعلومات. ولجعل هذا يعمل في العالم الحقيقي، حيث يمكن للتيارات الهوائية أن تشوه الضوء، استخدم الفريق نوعاً خاصاً من الضوء يسمى الأنماط الضوئية المكانية. يمكنك التفكير في هذه الأنماط كتشكيل للضوء في أنماط محددة ومعقدة، تماماً مثل لف شريط في شكل حلزوني، بدلاً من مجرد تشغيل وإطفاء المصباح اليدوي. تحمل هذه الأنماط خاصية تسمى الزخم الزاوي المداري، والتي تسمح للضوء بحمل المزيد من المعلومات وتمييزه حتى عندما يكون الهواء مضطرباً. وقد قام الباحثون بمحاكاة رابط اتصال كامل بين نقطتين، بما في ذلك التأثيرات الفوضوية للغلاف الجوي، لمعرفة مدى أداء هذا النظام عالي الأبعاد.

بنى الفريق محاكاة حاسوبية دقيقة لهذا النظام، باستخدام أدوات افتراضية لتوليد واكتشاف هذه الأنماط الضوئية المعقدة. لقد قاموا بنمذجة رحلة الضوء عبر الهواء، مع إدخال نوع الاضطراب الذي يحدث في الغلاف الجوي الحقيقي، والذي يتسبب في جعل الضوء يتلألأ ويتشتت. كما قاموا بمحاكاة متنصت يحاول اعتراض الرسالة. في إعدادهم الافتراضي، سافر الضوء عبر قناة حيث استطاع الباحثون ضبط قوة الاضطراب ووجود المتسلل. كان الهدف هو قياس شيئين محددين: عدد المرات التي يرتكب فيها النظام أخطاء في قراءة الرسالة، ومدى كفاءة توليد مفتاح سري. ووجدوا أنه عندما لا يكون هناك أحد يستمع، يعمل النظام بمستوى معين من الكفاءة. ومع ذلك، في اللحظة التي يظهر فيها متنصت، يتغير سلوك النظام بطريقة محددة للغاية.

كشفت نتائج المحاكاة عن تحول كبير في كيفية سلوك النظام تحت الهجوم. فعندما يكون المتنصت حاضراً، تقفز كفاءة النظام، التي تقيس مقدار المعلومات المرسلة التي يتم استردادها بنجاح، من حوالي 25 بالمائة إلى حوالي 45 بالمائة. وبينما يشير المؤلفون في ملخصهم إلى أن بروتوكول KXB10 عالي الأبعاد يوفر تحسينات كبيرة في الكفاءة، فإن نتائج المحاكاة تسلط الضوء تحديداً على هذا التغيير في مستويات الكفاءة بين الحالتين الآمنة والمخترقة. كما تتبع الباحثون معدل الخطأ، وهو وتيرة اختلاف الرسالة المستلمة عن الرسالة المرسلة. وفي وجود المتنصت، ارتفع معدل الخطأ هذا إلى 60 بالمائة. ولعل الأهم من ذلك، أن الفريق قدم واختبر طريقة جديدة لقياس الأمان تسمى معدل خطأ انتقال المؤشر. يقيس هذا المقياس عدد المرات التي يتم فيها الخطأ في تحديد النمط أو "المؤشر" الخاص بالضوض. وفي محاكاتهم، ارتفعت هذه القيمة إلى ما يقرب من 47 بالمائة عندما كان المتنصت نشطاً.

تخلص الدراسة إلى أن أداء النظام تم تحليله تحت اضطراب الغلاف الجوي، وأن وجود متنصت يترك بصمة مميزة يصعب تجاهلها. إن الارتفاع في معدل خطأ انتقال المؤشر يعمل كتعزيز قوي لمعدل الخطأ القياسي، مما يجعل من الصعب جداً على المتسلل إخفاء وجوده. ووجد الباحثون أنه باستخدام هذه المجموعات الثلاث المختلفة من الأنماط الضوئية، يظهر النظام تحسناً كبيراً في كفاءة النظام من خلال استخدام بروتوكول KXB10 عالي الأبعاد. ويظهر العمل أن هذا النهج عالي الأبعاد، الذي يعتمد على الأشكال المعقدة للضوء بدلاً من إشارات التشغيل والإيقاف البسيطة، يوفر مساراً واعداً نحو اتصالات آمنة لمسافات طويلة عبر الهواء الطلق. وتشير النتائج إلى أنه من خلال مراقبة أنماط الخطأ المحددة هذه بعناية، يمكن لأليس وبوب أن يكونوا واثقين من أن مفتاحهم السري يظل آمناً، أو يمكنهم إيقاف الإرسال فوراً إذا لم يكن الهواء صافياً كما ينبغي.