A proposal for a hybrid free-space optical quantum communication network with hexagonal boron nitride-based single photon sources
यह शोध पत्र डेलाइट सैटेलाइट-टू-ग्राउंड क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन को सक्षम करने और लागत प्रभावी, उच्च-दर क्वांटम इंटरनेट परिनियोजन के लिए निर्बाध फाइबर एकीकरण को सक्षम करने हेतु हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड-आधारित सिंगल फोटॉन स्रोतों का उपयोग करते हुए एक हाइब्रिड फ्री-स्पेस ऑप्टिकल क्वांटम संचार नेटवर्क का प्रस्ताव करता है।
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इंटरनेट जिसका हम हर दिन उपयोग करते हैं, वह डिजिटल तालों के एक सेट पर निर्भर है जो हमारे बैंक खातों और निजी संदेशों को सुरक्षित रखते हैं। दशकों से, ये ताले इतने मजबूत रहे हैं कि सबसे दृढ़ निश्चयी हैकर्स को भी बाहर रखने में सक्षम रहे हैं। हालांकि, वैज्ञानिक अनुमान लगाते हैं कि शक्तिशाली नए कंप्यूटर, जिन्हें क्वांटम कंप्यूटर कहा जाता है, जल्द ही आ जाएंगे जिनमें इन पारंपरिक तालों को कुछ ही सेकंडों में तोड़ने की क्षमता होगी। इस भविष्य की तैयारी के लिए, शोधकर्ता भौतिकी के नियमों पर आधारित एक नया प्रकार का सुरक्षा तंत्र बना रहे हैं, जो जटिल गणित के बजाय भौतिकी के सिद्धांतों पर आधारित है। यह प्रणाली, जिसे क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (क्वांटम कुंजी वितरण) कहा जाता है, अटूट कोड बनाने के लिए प्रकाश के व्यक्तिगत कणों का उपयोग करती है। यदि कोई इन कणों की जासूसी करने की कोशिश करता है, तो उन्हें देखने की क्रिया उनकी स्थिति को बदल देती है, जिससे उपयोगकर्ताओं को तुरंत पता चल जाता है कि लाइन से समझौता किया गया है। जबकि यह तकनीक पूर्ण सुरक्षा प्रदान करती है, इसके लिए एक वैश्विक नेटवर्क बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। हवा में इन नाजुक कणों को भेजना आमतौर पर दिन के समय असंभव होता है क्योंकि सूर्य का प्रकाश धुंधले संकेत को दबा देता है, और लंबी दूरी तक कांच के केबलों के माध्यम से उन्हें भेजने पर वे फीके पड़ जाते हैं।
टेक्निकल यूनिवर्सिटी ऑफ म्यूनिख के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दोनों दुनियाओं के सर्वश्रेष्ठ को मिलाकर इन बाधाओं को दूर करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रस्तावित किया है: आकाश और ज़मीन। वे एक हाइब्रिड नेटवर्क का सुझाव देते हैं जो महाद्वीपों के पार क्वांटम संकेतों को प्रसारित करने के लिए उपग्रहों का उपयोग करता है और शहरों में व्यक्तिगत उपयोगकर्ताओं तक पहुँचाने के लिए ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करता है। उनके विचार का मुख्य आधार हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड नामक सामग्री से बना एक विशिष्ट प्रकार का प्रकाश स्रोत है, जो कठोर वातावरण में भी प्रकाश के आवश्यक एकल कणों का उत्पादन कर सकता है। सूर्य के प्रकाश के एक प्राकृतिक अंतराल में स्थित प्रकाश के रंग को सावधानीपूर्वक चुनकर, शोधकर्ताओं ने एक क्वांटम इंटरनेट का मार्ग प्रशस्त किया है जो बिना किसी महंगे या विशाल उपकरण के, दिन-रात निरंतर काम कर सकता है।
हवा के माध्यम से क्वांटम सूचना भेजने की चुनौती यह है कि सूर्य एक बहुत ही शोर वाला बैकग्राउंड है। दिन के दौरान, सूर्य के प्रकाश की अत्यधिक चमक उन संवेदनशील डिटेक्टरों को अभिभूत कर देती है जिनकी आवश्यकता प्रकाश के एकल कणों को देखने के लिए होती है, जिससे संचार असंभव हो जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सौर स्पेक्ट्रम (सूर्य से आने वाले प्रकाश का इंद्रधनुष) का अध्ययन किया। इस इंद्रधनुष के भीतर, फ्रैंकोफ़र लाइन्स (Fraunhofer lines) नामक गहरे, संकीले अंतराल हैं जहाँ सूर्य स्वाभाविक रूप से बहुत कम प्रकाश उत्सर्जित करता है। इन शांत अंतरालों में से एक के माध्यम से संकेतों को भेजने के लिए अपने सिस्टम को ट्यून करके, वे अत्यधिक सूर्य के प्रकाश को फ़िल्टर कर सकते हैं और स्पष्ट रूप से मंद क्वांटम सिग्नल को सुन सकते हैं। टीम ने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके परीक्षण किया कि कौन सा गहरा अंतराल सबसे अच्छा काम करेगा। उन्होंने पाया कि कैल्शियम से जुड़ा एक विशिष्ट रेखा, जो 854 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर स्थित है, एक आदर्श स्थान प्रदान करती है। यह तरंग दैर्ध्य इतनी गहरी है कि दिन के दौरान सूर्य को ब्लॉक कर सके, फिर भी यह फाइबर-ऑप्टिक केबलों में उपयोग किए जाने वाले मानक रंगों के काफी करीब है ताकि आकाश से ज़मीन तक एक सहज संक्रमण संभव हो सके।
तरंग दैर्ध्य का यह चुनाव महत्वपूर्ण है क्योंकि यह "लास्ट माइल" (अंतिम मील) की समस्या को हल करता है। जबकि उपग्रह महासागरों के पार शहरों को जोड़ सकते हैं, वे हर घर या कार्यालय की छत तक नहीं पहुँच सकते। उपयोगकर्ता तक अंतिम कनेक्शन मौजूदा कांच के फाइबर के माध्यम से किया जाना चाहिए जो पहले से ही ज़मीन के नीचे दबे हुए हैं। अधिकांश क्वांटम प्रयोग प्रकाश के ऐसे रंग का उपयोग करते हैं जो इन फाइबरों के माध्यम से खराब तरीके से यात्रा करते हैं, जिससे कुछ ही किलोमीटर के बाद उनका सिग्नल खो जाता है। हालाँकि, म्यूनिख टीम द्वारा प्रस्तावित 854-नैनोमीटर वाला प्रकाश मानक कांच के केबलों के माध्यम से बहुत दूर तक यात्रा करता है, जिससे इसकी शक्ति केवल थोड़ी सी ही कम होती है। इसका अर्थ है कि एक एकल ग्राउंड स्टेशन उपग्रह से सिग्नल प्राप्त कर सकता है और फिर इसे शहर में कई अलग-अलग उपयोगकर्ताओं तक मौजूदा फाइबर नेटवर्क के माध्यम से वितरित कर सकता है, बजाय इसके कि प्रत्येक उपयोगकर्ता को अपनी छत पर अपना महंगा टेलीस्कोप स्थापित करना पड़े। अंतरमहाद्वीपीय कनेक्शनों के लिए, उपग्रह स्वयं एक 'ट्रस्टेड नोड' (विश्वसनीय नोड) के रूप में कार्य करता है, जो एक ऐसा सुरक्षा समझौता है जिसे स्वीकार्य माना जाता है क्योंकि उपग्रह अंतरिक्ष में लगभग दुर्गम है, जबकि ग्राउंड स्टेशनों तक बिना पता चले पहुँचा जा सकता है।
आवश्यक प्रकाश उत्पन्न करने के लिए, शोधकर्ताओं ने हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड नामक द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्री की ओर रुख किया। यह सामग्री एक पतली, सपाट क्रिस्टल है जो सूक्ष्म दोषों (defects), या गायब परमाणुओं को होस्ट कर सकती है, जो प्रकाश के एकल कणों के लिए पूर्ण कारखानों के रूप में कार्य करते हैं। प्रयोगशाला के बाहर काम करने में संघर्ष करने वाले कई अन्य प्रकाश स्रोतों के विपरीत, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड में ये दोष अविश्वसनीय रूप से मजबूत होते हैं। वे अंतरिक्ष के निर्वात में कार्य कर सकते हैं, अत्यधिक तापमान (जमने वाली ठंड से लेकर बहुत गर्म तक) को सहन कर सकते हैं, और समय के साथ जल्दी खराब नहीं होते हैं। शोधकर्ताओं ने इस सामग्री के भीतर विशिष्ट प्रकार के दोषों की पहचान की है जो स्वाभाविक रूप से आवश्यक 854-नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य के पास प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। हालांकि इन विशिष्ट दोषों को बनाना एक चुनौती है, टीम ने उच्च सटीकता के साथ उन्हें सक्रिय करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करने की विधि का सुझाव दिया है, जिससे सुरक्षित संचार के लिए शुद्ध प्रकाश की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित हो सके।
यह प्रस्ताव एक वैश्विक क्वांटम नेटवर्क के लिए एक यथार्थवादी मार्ग रेखा तैयार करता है। सूर्य के प्रकाश के प्राकृतिक शांत स्थानों का उपयोग करके, यह प्रणाली दिन के दौरान भी काम कर सकती है, जिससे वर्तमान केवल रात-आधारित प्रणालियों की तुलना में संचार के लिए उपलब्ध समय दोगुना हो जाता है। फाइबर ऑप्टिक्स में उपयोग किए जाने वाले रंगों के साथ उपग्रह सिग्नल को मिलाकर, यह नेटवर्क अंतरिक्ष और उपयोगकर्ता के कंप्यूटर के बीच के अंतर को पाट सकता है, जिसमें लंबी दूरी के लिंक के लिए एक विश्वसनीय उपग्रह नोड का उपयोग किया जाता है और एंड-यूज़र्स तक सुरक्षित पहुंच के लिए फाइबर का विस्तार किया जाता है। शोधकर्ताओं ने अपने विश्वविद्यालय परिसर में इस फाइबर नेटवर्क का एक परीक्षण संस्करण बनाना शुरू कर दिया है ताकि यह सिद्ध किया जा सके कि यह अवधारणा काम करती है। यदि सफल रहे, तो यह हाइब्रिड दृष्टिकोण एक वैश्विक क्वांटम नेटवर्क के आगमन को तेज कर सकता है, जो हमारे वर्तमान रक्षा तंत्र को तोड़ने वाले भविष्य के शक्तिशाली कंप्यूटरों के आने से पहले डिजिटल दुनिया के लिए एक सुरक्षित आधार प्रदान करेगा।
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