Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing

सुरक्षित संचार के क्षेत्र में, वैज्ञानिकों ने सूचना की रक्षा के लिए लंबे समय से क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों पर भरोसा किया है। एक ऐसी प्रणाली की कल्पना करें जहाँ संदेश को पढ़ने की कोशिश करने की क्रिया ही उसे बदल देती है, जिससे प्रेषक को पता चल जाता है कि कोई सुन रहा है। यह क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (क्वांटम कुंजी वितरण) का आधार है, जो दो लोगों के बीच अटूट एन्क्रिप्शन कोड उत्पन्न करने के लिए पहले से ही उपयोग की जाने वाली एक विधि है। हालाँकि, एक अधिक जटिल चुनौती तब उत्पन्न होती है जब एक गुप्त जानकारी को तीन या अधिक लोगों के बीच साझा करने की आवश्यकता होती है, जहाँ कोई भी एक व्यक्ति पूरा उत्तर नहीं जानता, और समूह को सत्य को पुनर्गठित करने के लिए मिलकर काम करना पड़ता है। इसे क्वांटम सीक्रेट शेयरिंग (क्वांटम गुप्त साझाकरण) कहा जाता है। जबकि सिद्धांत सुदृढ़ है, एक ऐसा नेटवर्क बनाना जो कई उपयोगकर्ताओं को एक साथ संभाल सके, कठिन रहा है। पारंपरिक तरीकों में अक्सर प्रत्येक उपयोगकर्ता के जोड़े के लिए एक अलग, समर्पित प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है, या वे एक एकल नियंत्रण संकेत लागू करते हैं जो प्रकाश की पूरी बीम को एक साथ प्रभावित करता है। यह एक ही फाइबर ऑप्टिक केबल पर विभिन्न समूहों के लोगों को अलग-अलग रहस्य भेजने को असंभव बना देता है, जो एक ऐसी सीमा है जिसने बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क को पहुंच से दूर रखा है।

फ्रेडरिक शिलर यूनिवर्सिटी जेना और फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर एप्लाइड ऑप्टिक्स एंड प्रिसिजन इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं ने अब इस बाधा को दूर करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक नई विधि विकसित की है जो एक ही उलझे हुए (एंटैंगल्ड) प्रकाश कणों के स्रोत को एक साथ कई उपयोगकर्ता समूहों की सेवा करने की अनुमति देती है, जिनमें से प्रत्येक को अपना स्वतंत्र रहस्य प्राप्त होता है। टीम ने प्रकाश के साथ यह व्यवहार करके इसे हासिल किया कि वह एक एकल, समान बीम नहीं है, बल्कि अलग-अलग रंग चैनलों का एक संग्रह है, ठीक वैसे ही जैसे एक प्रिज्म सफेद प्रकाश को इंद्रधनुष में विभाजित करता है। विशिष्ट रंग बैंडों के भीतर प्रकाश तरंगों के समय (टाइमिंग) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप किए बिना एक ही बीम के विभिन्न हिस्सों में अलग-अलग रहस्यों को एनकोड करने में सक्षम रहे। यह दृष्टिकोण प्रभावी रूप से एक क्वांटम स्रोत को सुरक्षित डेटा के लिए एक मल्टी-लेन हाईवे में बदल देता है, जहाँ प्रत्येक लेन एक विशिष्ट प्राप्तकर्ता के जोड़े को एक अद्वितीय संदेश ले जाती है।

प्रयोग एक ऐसे उपकरण पर आधारित था जो फोटॉन (प्रकाश के कणों) के जोड़े उत्पन्न करता है, जो इस तरह से जुड़े होते हैं कि उनके गुण पूरी तरह से सहसंबंधित होते हैं। इस सेटअप में, एक फोटॉन एक केंद्रीय नियंत्रक, जिसे डीलर कहा जाता है, को भेजा जाता है, जबकि दूसरा नेटवर्क में भेजा जाता है। डीलर फिर प्रकाश पर एक विशिष्ट प्रकार का मॉड्यूलेशन लागू करता है, जो प्रत्येक रंग चैनल के लिए चरण (फेज), या तरंग के समय को स्वतंत्र रूप से बदल देता है। यह प्रक्रिया रेडियो को विभिन्न स्टेशनों पर ट्यून करने के समान है; जिस तरह एक रेडियो दूसरे स्टेशनों को सुने बिना एक स्टेशन को पकड़ सकता है, शोधकर्ताओं की प्रणाली एक रंग चैनल में एनकोड किए गए रहस्य को बाकी हिस्सों को अनदेखा करते हुए अलग से पढ़ सकती है। टीम ने प्रकाश के एक ब्रॉडबैंड स्रोत का उपयोग किया जो तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) की एक विस्तृत श्रृंखला में फैला हुआ है, जिससे स्पेक्ट्रम को कई अलग-अलग फ्रीक्वेंसी बिन में विभाजित करना संभव हुआ। उन्होंने इन चैनलों के विशिष्ट जोड़ों को स्वतंत्र संचार लाइनों के रूप में कार्य करने के लिए चुना, यह सुनिश्चित करते हुए कि एक जोड़ी उपयोगकर्ताओं के बीच साझा किया गया रहस्य दूसरे जोड़ी के लिए उपयोग किए जाने वाले चैनल में लीक न हो।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह विधि काम करती है, शोधकर्ताओं ने मानक दूरसंचार चैनलों के ग्रिड का उपयोग करके अपने सिस्टम का परीक्षण किया। उन्होंने 200-गीगाहर्ट्ज़ अंतराल वाले दो विशिष्ट चैनलों में सफलतापूर्वक रहस्यों को एनकोड और प्रसारित किया, जो आधुनिक फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क में उपयोग किया जाने वाला एक मानक है। परिणामों ने दिखाया कि उनके द्वारा बनाए गए क्वांटम स्टेट अत्यधिक सटीक थे, जो कम से कम 90 प्रतिशत की फिडेलिटी (सटीकता) के साथ आदर्श सैद्धांतिक अवस्थाओं से मेल खाते थे। इस उच्च स्तर की सटीकता अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि चैनलों को अलग करने के लिए आवश्यक जटिल हेरफेर के बावजूद सूचना बरकरार और सुरक्षित रही। टीम ने यह सुनिश्चित करने के लिए कि नाजुक क्वांटम कनेक्शन स्थिर रहें, सिस्टम की निरंतर निगरानी की, जिसमें पर्यावरणीय कंपन और तापमान परिवर्तन का मुकाबला करने के लिए उपकरणों को वास्तविक समय में समायोजित करने वाला एक फीडबैक लूप शामिल था। इन आवश्यक समायोजनों के बावजूद, सिस्टम ने सिग्नल की उच्च गुणवत्ता बनाए रखी, जो दर्शाता है कि यह विधि व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक सफल प्रयोग से परे हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका सेटअप सैद्धांतिक रूप से 40 से अधिक विभिन्न फ्रीक्वेंसी चैनलों का समर्थन कर सकता है, जो मानक उपकरणों का उपयोग करके नौ उपयोगकर्ताओं तक के पूर्णतः जुड़े नेटवर्क की अनुमति देगा। यह मापनीयता (स्केलेबिलिटी) एक महत्वपूर्ण कदम है, क्योंकि यह एक बड़े क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए कई महंगे प्रकाश स्रोतों की आवश्यकता को समाप्त करती है। इसके बजाय, नेटवर्क के केंद्र में एक एकल स्रोत किसी भी संख्या में उपयोगकर्ता जोड़ों को रहस्य वितरित कर सकता है, बशर्ते नेटवर्क रंगों को अलग करने के लिए सही फिल्टर से लैस हो। टीम ने उल्लेख किया कि हालांकि उनके वर्तमान प्रदर्शन में अपेक्षाकृत धीमी गति से काम करने वाले घटकों का उपयोग किया गया था, लेकिन अंतर्निहित तकनीक बहुत तेज़, आधुनिक उपकरणों के अनुकूल है जो अंततः वर्तमान इंटरनेट की गति के बराबर डेटा दरें संभाल सकते हैं।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि वेवलेंथ-मल्टीप्लेक्स नेटवर्क में क्वांटम सीक्रेट शेयरिंग करना संभव है, जो कि पहले व्यक्तिगत चैनलों को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने की अक्षमता के कारण सीमित माना जाता था। प्रकाश स्रोत के प्राकृतिक फ्रीक्वेंसी सहसंबंधों का लाभ उठाकर और सटीक स्पेक्ट्रल फेज मॉड्यूलेशन लागू करके, शोधकर्ताओं ने अधिक कुशल और स्केलेबल क्वांटम क्रिप्टोग्राफी की ओर एक मार्ग खोल दिया है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने क्षेत्र की हर समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह एक बड़े क्वांटम नेटवर्क के विस्तार के लिए एक ठोस, संसाधन-कुशल तरीका प्रदान करता है। एक ही फाइबर ऑप्टिक केबल पर कई स्वतंत्र सीक्रेट-शेयरिंग सत्र चलाने की क्षमता यह सुझाव देती है कि कई उपयोगकर्ताओं को सुरक्षित रूप से जोड़ने में सक्षम भविष्य के क्वांटम इंटरनेट के लिए बुनियादी ढांचा तेजी से व्यवहार्य हो रहा है। ऑफ-द-शेल्फ घटकों और मानक दूरसंचार ग्रिडों के माध्यम से प्राप्त परिणाम यह संकेत देते हैं कि प्रयोगशाला प्रयोगों से वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों तक का संक्रमण अब पहुंच के भीतर है।