Quantum random number generation from the continuous variable payload for the SPOQC mission
यह शोध पत्र SPOQC मिशन के पेलोड का उपयोग करके प्रमाणित निरंतर-चर क्वांटम रैंडम नंबरों के उत्पादन को प्रदर्शित करता है, जिसने मिन-एन्ट्रॉपी (min-entropy) को परिमाणित करके और NIST परीक्षण सूट के विरुद्ध आउटपुट को मान्य करके, 1 Mb रॉ की (raw key) से लगभग 19.5 Kb सुरक्षित रैंडमनेस सफलतापूर्वक निकाला है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि आप अपने एक दोस्त को एक गुप्त संदेश भेजने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपको डर है कि कोई छिपकर आपकी बातें सुन रहा होगा। अपने संदेश को सुरक्षित रखने के लिए, आपको एक ऐसी कुंजी (key) की आवश्यकता है जिसे अनुमान लगाना असंभव हो। क्रिप्टोग्राफी की दुनिया में, सबसे अच्छी कुंजियाँ शुद्ध यादृच्छिकता (randomness) से बनी होती हैं—ऐसे नंबर जिनका कोई पैटर्न नहीं होता और जिन्हें किसी भी कंप्यूटर द्वारा, चाहे वह कितना भी स्मार्ट क्यों न हो, अनुमानित नहीं किया जा सकता। लंबे समय तक, हमने इन नंबरों को जटिल गणित या रेडियो पर स्टेटिक (static) जैसी चीजों को मापकर बनाने की कोशिश की है। लेकिन ये तरीके उन चीजों पर निर्भर करते हैं जो यादृच्छिक दिखती तो हैं, लेकिन यदि आप उन्हें ध्यान से देखें, तो उनमें वास्तव में एक छिपा हुआ पैटर्न हो सकता है।
क्वांटम मैकेनिक्स की दुनिया में प्रवेश करें, जो ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म कणों का नियम पुस्तिका है। यहाँ, प्रकृति के पास एक अंतर्निर्मित "पासे का खेल" (dice roll) है जो वास्तव में यादृच्छिक है। यह केवल यह नहीं है कि हमें परिणाम का पता नहीं है; बल्कि यह है कि जब तक आप देखते नहीं, तब तक परिणाम का अस्तित्व ही नहीं होता। इस प्रकार की यादृच्छिकता में से एक विशेष प्रकार "निर्वात" (vacuum) से आता है। खाली स्थान में भी, जहाँ कोई प्रकाश नहीं है, ऊर्जा की एक निरंतर, थरथराहट भरी गूँज होती है जिसे वैक्यूम फ्लक्चुएशन (vacuum fluctuations) कहा जाता है। यह एक शांत कमरे की तरह है जो वास्तव में शांत नहीं है यदि आपके पास अत्यंत संवेदनशील कान हों; हमेशा एक सूक्ष्म, अप्रत्याशित भिनभिनाहट बनी रहती है। वैज्ञानिकों ने इस भिनभिनाहट को सुनने और इसे अटूट यादृच्छिक नंबरों की एक धारा में बदलने का तरीका खोज निकाला है। यह बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि जैसे-जैसे हमारी डिजिटल दुनिया बढ़ रही है, हमें अपने डेटा को सुरक्षित रखने के लिए अधिक सुरक्षित तरीकों की आवश्यकता है, और भौतिकी के नियमों द्वारा गारंटीकृत यादृच्छिकता का स्रोत होना परम सुरक्षा कवच है।
अब, आइए एक बहुत ही विशेष मिशन पर ध्यान केंद्रित करें जिसे SPOQC कहा जाता है, जो अंतरिक्ष में तैरती एक उच्च-तकनीकी विज्ञान प्रयोगशाला की तरह है। इस मिशन के पीछे की टीम, जिसका नेतृत्व यॉर्क विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया है, यह देखना चाहती थी कि क्या वे इन क्वांटम झटकों (jitters) को पकड़ने और पृथ्वी की कक्षा में चक्कर लगाते हुए यादृच्छिक नंबरों में बदलने के लिए एक मशीन बना सकते हैं। उन्होंने केवल एक सैद्धांतिक मॉडल नहीं बनाया; उन्होंने एक वास्तविक, काम करने वाला उपकरण बनाया और इसका परीक्षण एक इंजीनियरिंग मॉडल पर किया जो उस उपकरण के समान है जो उपग्रह पर उड़ेगा।
उन्होंने जो उपकरण बनाया है उसे कंटीन्यूअस वेरिएबल क्वांटम रैंडम नंबर जेनरेटर (CV-QRNG) कहा जाता है। इसे एक बहुत ही संवेदनशील माइक्रोफ़ोन की तरह समझें जो अंतरिक्ष की "खामोशी" को सुन रहा है। उपग्रह के भीतर, एक लेजर है जो एक संदर्भ बिंदु (reference point) के रूप में कार्य करता है। यह मशीन इस लेजर प्रकाश को विभाजित करती है: एक भाग का उपयोग अन्य प्रयोगों के लिए किया जाता है, और दूसरे भाग को "खाली" वैक्यूम अवस्था के साथ मिलाया जाता है। जब ये दोनों मिलते हैं, तो वैक्यूम की सूक्ष्म, यादृच्छिक थरथराहट प्रकाश को इस तरह से हिला देती है जिसे अनुमान लगाना असंभव है। मशीन इन लहरों को मापती है, उन्हें विद्युत संकेतों में बदलती है, और फिर एक डिजिटल कन्वर्टर (ADC) का उपयोग करके उन संकेतों को 0 और 1 की एक श्रृंखला में अनुवादित करती है।
शोधकर्ताओं को एक कठिन चुनौती का सामना करना पड़ा: वास्तविक दुनिया में, चीजें पूर्ण नहीं होती हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स से आने वाला "क्लासिकल शोर" (classical noise), तापमान परिवर्तन और स्वयं मशीन से होने वाला शोर, चीज़ों को धुंधला कर सकता है और नंबरों को कम यादृच्छिक बना सकता है। इसे हल करने के लिए, उन्हें एक जासूस की तरह काम करना पड़ा, यह सावधानीपूर्वक मापना था कि कितना शोर इलेक्ट्रॉनिक्स से आया और कितना वास्तविक क्वांटम वैक्यूम से आया। उन्होंने पाया कि हालांकि इलेक्ट्रॉनिक्स ने कुछ "स्टेटिक" जोड़ा था, फिर भी क्वांटम सिग्नल उपयोगी होने के लिए पर्याप्त मजबूत था।
उपग्रह के एक एकल चक्कर के दौरान लगभग 1 मेगाबिट (एक मिलियन बिट्स) कच्चा डेटा एकत्र करने के बाद, उन्होंने नंबरों को NIST टेस्ट सूट नामक कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला के माध्यम से चलाया। ये परीक्षण नंबरों में किसी भी छिपे हुए पैटर्न को खोजने की कोशिश करने वाले पहेलियों के एक क्रम की तरह हैं। परिणाम सफल रहे: नंबरों ने परीक्षणों को पास कर लिया, जिससे साबित हुआ कि वे वास्तव में यादृच्छिक थे। हालाँकि, सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए उन्हें "क्लासिकल शोर" को हटाना पड़ा, इसलिए प्राप्त प्रमाणित (certified) यादृच्छिक नंबरों की अंतिम मात्रा कच्चे डेटा से कम थी। उस 1 मेगाबिट कच्चे इनपुट से, उन्होंने लगभग 19.5 किलोबिट प्रमाणित, सुरक्षित यादृच्छिक नंबर निकाले।
पेपर ने यह भी देखा कि विभिन्न सेटिंग्स ने परिणामों को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने अलग-अलग प्रकार के डिजिटल कन्वर्टर्स (12-बिट और 16-बिट) के साथ सिस्टम का परीक्षण किया और पाया कि जबकि एक 16-बिट कन्वर्टर सैद्धांतिक रूप से अधिक विवरण कैप्चर कर सकता है, उनका वर्तमान 12-बिट सेटअप सुरक्षित कुंजियाँ उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त था। उन्होंने यह भी जांचा कि सिस्टम अंतरिक्ष के कठोर वातावरण को कैसे संभालेगा, यह नोट करते हुए कि घटकों को विकिरण और तापमान के उतार-चढ़ाव को सहने के लिए डिज़ाइन किया गया था।
बड़ी बात यह है कि इस टीम ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है कि आप क्वांटम वैक्यूम का उपयोग करके उपग्रह पर एक सुरक्षित रैंडम नंबर जेनरेटर बना सकते हैं। यह केवल एक लैब प्रयोग नहीं है; यह अंतरिक्ष में सुरक्षित संचार उपकरणों के लिए एक व्यावहारिक कदम है। उनके द्वारा उत्पन्न यादृच्छिक नंबरों का उपयोग एन्क्रिप्शन कुंजियाँ चुनने या डेटा ट्रांसमिशन में त्रुटियों को ठीक करने जैसे महत्वपूर्ण कार्यों के लिए किया जा सकता है। हालाँकि इस विशिष्ट परीक्षण में प्राप्त यादृच्छिकता की मात्रा मामूली थी, लेकिन यह सिद्ध करता है कि अवधारणा काम करती है। लेखक सुझाव देते हैं कि लेजर की शक्ति में थोड़ी वृद्धि के साथ, वे भविष्य में और भी अधिक नंबर उत्पन्न कर सकते हैं। यह कार्य इस तकनीक के अंतरिक्ष में पहली बार संचालन के प्रदर्शन का मार्ग प्रशस्त करता है, जो एक ऐसे भविष्य का वादा करता है जहाँ हमारा अंतरिक्ष-आधारित इंटरनेट प्रकृति द्वारा दी गई सबसे सुरक्षित तालों द्वारा सुरक्षित होगा।
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