Fully integrated continuous-variable quantum key distribution with composable security over 100 km
यह शोध पत्र हाइब्रिड III-V/SiN लेजर और सिलिकॉन घटकों का उपयोग करने वाले एक पूर्णतः एकीकृत निरंतर-चर क्वांटम कुंजी वितरण (CV-QKD) प्लेटफॉर्म प्रस्तुत करता है, जो 100 किमी की दूरी पर 29.3 kbps की गुप्त-कुंजी दर के साथ कंपोजेबल सुरक्षा प्राप्त करता है, जो व्यावहारिक, चिप-आधारित क्वांटम नेटवर्क में एक महत्वपूर्ण प्रगति को चिह्नित करता है।
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अटूट संचार की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से क्वांटम भौतिकी के विचित्र नियमों की ओर मुड़ते रहे हैं। पारंपरिक एन्क्रिप्शन के विपरीत, जो जटिल गणितीय समस्याओं को हल करने की कठिनाई पर निर्भर करता है, क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (key distribution) सुरक्षा की गारंटी देने के लिए प्रकृति के मौलिक नियमों का उपयोग करता है। यदि कोई जासूस संदेश को बीच में रोकने की कोशिश करता है, तो उसे देखने की क्रिया अनिवार्य रूप से स्वयं संदेश को बदल देती है, जिससे उपयोगकर्ताओं को उल्लंघन की सूचना मिल जाती है। वर्षों से, यह तकनीक प्रयोगशाला प्रयोगों से निकलकर वास्तविक दुनिया के शहर नेटवर्क में प्रवेश कर रही है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा अभी भी बनी हुई है: इन क्वांटम संकेतों को भेजने और प्राप्त करने के लिए आवश्यक उपकरण भारी, महंगे और निर्माण में कठिन रहे हैं। इस तकनीक को व्यापक दुनिया के लिए उपयोगी बनाने के लिए, इसे एक कंप्यूटर चिप के आकार तक छोटा होने, बिना जमा देने वाले तापमान के संचालित होने और शहरों को जोड़ने वाली विशाल दूरियों पर काम करने की आवश्यकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा पूर्णतः एकीकृत सिस्टम बनाकर उस लक्ष्य की ओर एक निर्णायक कदम उठाया है जो सभी आवश्यक घटकों को एक ही प्लेटफॉर्म पर जोड़ता है। उन्होंने सफलतापूर्वक एक क्वांटम संचार लिंक बनाया जो 100 किलोमीटर से अधिक की दूरी तक फैला हुआ है, जो दो प्रमुख शहरों के बीच की दूरी के बराबर है, जबकि एक ऐसे सुरक्षा स्तर को बनाए रखता है जो भेजे जा रहे डेटा की सीमित मात्रा को ध्यान में रखता है। यह प्रणाली क्वांटम संचार के एक विशेष प्रकार का उपयोग करती है जिसे 'कंटीन्यूअस-वेरिएबल की डिस्ट्रीब्यूशन' (continuous-variable key distribution) कहा जाता है, जो व्यक्तिगत कणों के बजाय प्रकाश तरंगों के गुणों में जानकारी को एनकोड करता है। यह दृष्टिकोण इस बात की अनुमति देता है कि सिस्टम मानक, कमरे के तापमान पर काम करने वाले डिटेक्टरों का उपयोग कर सके जो पहले से ही क्लासिकल फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क में सामान्य हैं, जिससे अन्य विधियों के लिए आवश्यक अत्यधिक कूलिंग की आवश्यकता से बचा जा सके।
इस उपलब्धि का मूल आधार यह है कि शोधकर्ताओं ने सब कुछ एक चिप पर कैसे फिट किया। उन्होंने एक ट्रांसमीटर और एक रिसीवर विकसित किया जो अनिवार्य रूप से एक सिलिकॉन वेफर पर स्थित पूर्ण प्रयोगशालाएं हैं। इन चिप्स में प्रकाश उत्पन्न करने के लिए अपने स्वयं के लेजर, गुप्त जानकारी को एनकोड करने के लिए मॉड्युलेटर और सिग्नल को पढ़ने के लिए डिटेक्टर शामिल हैं। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रणाली गुप्त संदेश के साथ प्रकाश की एक चमकदार संदर्भ बीम (reference beam) भेजे बिना संचालित होती है, जो हार्डवेयर को सरल बनाता है और एक संभावित सुरक्षा कमजोरी को दूर करता है। इसके बजाय, रिसीवर आने वाले सिग्नल को मापने के लिए अपने स्थानीय लेजर का उपयोग करता है। इस सेटअप के साथ चुनौती यह है कि दोनों लेजर, एक भेजने वाले छोर पर और दूसरा प्राप्त करने वाले छोर पर, स्वतंत्र रूप से चलते हैं और स्वाभाविक रूप से अपने समय (timing) और फेज (phase) में अलग हो जाते हैं। 100 किलोमीटर जैसी लंबी दूरी पर, यह विचलन इतना गंभीर हो सकता है कि रिसीवर सिग्नल का ट्रैक खो दे।
इसे हल करने के लिए, टीम ने सिस्टम के लिए एक परिष्कृत डिजिटल मस्तिष्क तैयार किया। उन्होंने एक मशीन-लर्निंग एल्गोरिदम का उपयोग किया जो एक अत्यधिक संवेदनशील नाविक की तरह कार्य करता है, जो लगातार दोनों लेजरों के बीच सूक्ष्म अंतर को ट्रैक करता है और वास्तविक समय में विचलन को ठीक करता है। यह एल्गोरिदम पिछले उपयोग किए गए मानक गणितीय फिल्टरों की तुलना में कहीं अधिक मजबूत साबित हुआ, जिससे सिस्टम को 100 किलोमीटर के फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से यात्रा करते समय भी सिग्नल पर एक स्थिर पकड़ बनाए रखने में मदद मिली। यह स्थिरता आवश्यक थी क्योंकि शोधकर्ताओं को यह सिद्ध करने के लिए डेटा का एक विशाल ब्लॉक—140 बिलियन सिंबल—प्रोसेस करने की आवश्यकता थी कि सुरक्षा कठोर, वास्तविक दुनिया की स्थितियों के तहत भी बनी रहती है। इस विशाल डेटासेट का विश्लेषण करके, वे 100 किलोमीटर के निशान पर 29.3 किलोबिट प्रति सेकंड की एक गुप्त की दर (secret key rate) को प्रमाणित करने में सक्षम हुए। इसका अर्थ है कि यह प्रणाली अटूट कुंजियों की एक निरंतर धारा उत्पन्न कर सकती है, जो व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त तेज़ है, जबकि सबसे शक्तिशाली सैद्धांतिक हमलों के विरुद्ध भी सुरक्षित रहती है।
इस प्रयोग की सफलता केवल 100 किलोमीटर के परीक्षण तक ही सीमित नहीं है। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि उनका एकीकृत सिस्टम और भी लंबी दूरियों पर सुरक्षित लिंक स्थापित कर सकता है, जिसने 125 किलोमीटर पर 12.9 किलोबिट प्रति सेकंड की की दर हासिल की और 150 किलोमीटर तक की सैद्धांतिक व्यवहार्यता बनाए रखी। ये परिणाम इस प्रकार के पूर्णतः एकीकृत क्वांटम सिस्टम के लिए अब तक की सबसे लंबी दूरियां हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि क्वांटम संचार की नाजुक भौतिकी को सिलिकॉन चिप तकनीक की मजबूत और निर्माण योग्य प्रकृति के साथ जोड़ना संभव है। एक पूर्ण, चिप-आधारित क्वांटम टर्मिनल को उच्च सुरक्षा के साथ लॉन्ग-हॉल फाइबर लिंक पर संचालित करके, शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र को एक ऐसे भविष्य के करीब पहुँचा दिया है जहाँ क्वांटम-सुरक्षित नेटवर्क केवल एक प्रयोगशाला जिज्ञासा नहीं, बल्कि हमारे वैश्विक संचार बुनियादी ढांचे का एक मानक हिस्सा होंगे।
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