Loss-Tolerant Quantum Position Verification for Metropolitan Area Networks

डिजिटल दुनिया में, एक हस्ताक्षर एक वादा है, लेकिन यह बिना किसी स्थान के किया गया वादा है। जब आप ऑनलाइन किसी अनुबंध पर हस्ताक्षर करते हैं या किसी लेनदेन को अधिकृत करते हैं, तो सिस्टम जानता है कि किसने और कब हस्ताक्षर किए, लेकिन वह यह साबित नहीं कर सकता कि हस्ताक्षरकर्ता उस सटीक क्षण में कहाँ खड़ा था। सूचना का यह लुप्त हिस्सा एक भेद्यता (vulnerability) पैदा करता है। डेटा गोपनीयता, वित्तीय नियमों और राष्ट्रीय सुरक्षा से संबंधित कानून अक्सर इस बात पर निर्भर करते हैं कि यह जानना कि एक डिजिटल घटना एक विशिष्ट देश या शहर के भीतर हुई थी। वर्तमान में, हमलावर इंटरनेट ट्रैफ़िक को पुनर्निर्देशित करके, अपने डिजिटल पते को छिपाकर, या कंप्यूटर पर घड़ी को हेरफेर करके आसानी से स्थान की नकल कर सकते हैं। क्योंकि ये चालें शास्त्रीय संकेतों (classical signals)—सूचना के उन बिट्स जो प्रकाश से तेज़ गति से कॉपी और भेजे जा सकते हैं—के हेरफेर पर निर्भर करती हैं, इसलिए कोई भी शुद्ध रूप से डिजिटल प्रणाली कभी भी भौतिक स्थान के बारे में निश्चित नहीं हो सकती। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने भौतिकी के नियमों की ओर रुख किया है, विशेष रूप से उन अजीब नियमों की ओर जो प्रकाश के सबसे छोटे कणों को नियंत्रित करते हैं। ये नियम, जो क्वांटम अवस्थाओं की पूर्ण नकल करने से रोकते हैं और सूचना को प्रकाश से तेज़ यात्रा करने से वर्जित करते हैं, एक "स्पेसटाइम सील" (spacetime seal) बनाने का एक तरीका प्रदान करते हैं। यह सील एक गारंटी है कि एक डिजिटल घटना एक विशिष्ट स्थान और समय पर हुई थी, जो किसी नेटवर्क के भरोसे पर नहीं, बल्कि ब्रह्मांड की मौलिक संरचना पर आधारित है।

वर्षों से, शोधकर्ता एक ऐसी प्रणाली बनाने का प्रयास कर रहे हैं जो इन क्वांटम नियमों का उपयोग करके स्थान को सत्यापित कर सके, जिसे क्वांटम पोजीशन वेरिफिकेशन (quantum position verification) कहा जाता है। विचार यह है कि दो विश्वसनीय स्टेशन बीच में स्थित एक व्यक्ति को चुनौतियाँ भेजते हैं, जिससे उसे प्रकाश के एक कण के साथ एक कार्य करने के लिए कहा जाता है। चूंकि कण को क्लोन नहीं किया जा सकता है और सूचना प्रकाश से तेज़ यात्रा नहीं कर सकती, इसलिए केवल वही व्यक्ति जो ठीक बीच में खड़ा है, सही समय पर उत्तर दे सकता है। हालांकि, एक प्रमुख बाधा हमेशा इन कणों का नुकसान रहा है। वास्तविक दुनिया की स्थितियों में, फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा करने वाले फोटॉन अक्सर अपने गंतव्य तक पहुँचने से पहले अवशोषित या बिखरे हुए रह जाते हैं। इन समस्याओं को ठीक करने के पिछले प्रयासों के लिए या तो अत्यंत जटिल उपकरणों की आवश्यकता थी या वे शहर में पाए जाने वाली दूरियों पर काम करने में विफल रहे। यदि प्रणाली नुकसान के प्रति बहुत संवेदनशील होती, तो इसे उस महानगर में तैनात नहीं किया जा सकता था जहाँ केबल कई किलोमीटर तक फैले होते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बाधा को पार करने के लिए एक नई विधि का प्रदर्शन किया है, यह सिद्ध करते हुए कि कई कणों के रास्ते में खो जाने पर भी एक सुरक्षित स्थान की जाँच संभव है। उन्होंने मानक, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हार्डवेयर का उपयोग करके एक कार्यात्मक प्रोटोटाइप बनाया, जिससे यह दिखाया गया कि सिस्टम एक शहर के वातावरण के भीतर स्थान को सत्यापित कर सकता है। उनकी सफलता की कुंजी जिम्मेदारी में एक चतुर बदलाव था। पिछले डिजाइनों में, विश्वसनीय स्टेशनों को परीक्षण किए जा रहे व्यक्ति को नाजुक क्वांटम कण भेजने होते थे। यदि वे कण केबल में खो जाते, तो परीक्षण विफल हो जाता। इस नए दृष्टिकोण में, परीक्षण किया जा रहा व्यक्ति स्वयं क्वांटम कण उत्पन्न करता है। वे उलझे हुए फोटॉन (entangled photons) का एक जोड़ा बनाते हैं—ऐसे कण जो इस तरह से जुड़े होते हैं कि एक को मापने से दूसरे पर तुरंत प्रभाव पड़ता है। वे एक कण अपने पास रखते हैं और दूसरा विश्वसनीय स्टेशन को भेज देते हैं। चूंकि विश्वसनीय स्टेशन को केवल उस कण का पता लगाने की आवश्यकता होती है जो पहुँचता है, और परीक्षण किए जा रहे व्यक्ति को बस उन राउंड्स को अनदेखा करना होता है जहाँ उनका अपना डिटेक्टर कण को देखने में विफल रहता है, इसलिए सिस्टम की सुरक्षा उनके बीच के केबल में होने वाले नुकसान से स्वतंत्र हो जाती है। परीक्षण की सुरक्षा अब फाइबर के माध्यम से कितने कण गुजरते हैं इस पर निर्भर नहीं करती, बल्कि केवल परीक्षण किए जा रहे व्यक्ति की ईमानदारी और प्रकाश की गति पर निर्भर करती है।

शोधकर्ताओं ने लगभग 60 मीटर की कम दूरी पर इस प्रणाली का परीक्षण किया, जो एक ऐसी स्थिति का अनुकरण करता है जहाँ एक 'प्रूवर' (prover) दो 'वेरिफायर' (verifiers) के बीच स्थित है। उन्होंने उलझे हुए जोड़े उत्पन्न करने के लिए एक वार्म रुबिडियम स्रोत का उपयोग किया, जिसमें से एक फोटॉन एक मानक दूरसंचार फाइबर के माध्यम से क्वांटम वेरिफायर को भेजा गया और दूसरा स्थानीय रूप से रखा गया। सिस्टम लगातार चलता रहा, जिसने डेटा एकत्र करने के लिए 22 मिनट की अवधि का उपयोग किया। इस दौरान, सिस्टम ने सफलतापूर्वक परीक्षण के 250,000 से अधिक राउंड पूरे किए। परिणामों ने दिखाया कि सिस्टम उच्च स्तर के विश्वास के साथ प्रूवर के स्थान को सत्यापित कर सकता है, यहाँ तक कि वास्तविक दुनिया के उपकरणों में निहित खामियों और नुकसानों के बावजूद। टीम ने गणना की कि प्रूवर का स्थान एक विशिष्ट क्षेत्र के भीतर पुष्ट हुआ था, जिसमें एक वेरिफायर के लिए लगभग 58 मीटर और दूसरे के लिए 64 मीटर की अनिश्चितता थी। सटीकता का यह स्तर शास्त्रीय तरीकों की तुलना में काफी बेहतर है, जो हमेशा एक बड़ी अनिश्चितता छोड़ देते हैं जिसमें दोनों स्टेशनों के बीच का मार्ग शामिल होता है।

प्रयोग ने इस तकनीक की व्यावहारिक व्यवहार्यता को भी रेखांकित किया। पूरा सेटअप ऑफ-द-शेल्फ घटकों पर आधारित था, जिसमें मानक फाइबर-ऑप्टिक केबल और वाणिज्यिक डिटेक्टर शामिल थे, न कि विशेष, महंगे प्रयोगशाला उपकरणों पर। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि जबकि उनके वर्तमान प्रदर्शन ने सुरक्षित परिणाम प्राप्त करने के लिए 22 मिनट का डेटा एकत्र किया, यह आर्किटेक्चर स्केलेबल (scale) होने के लिए डिज़ाइन किया गया है। तेज़ हार्डवेयर और बेहतर डिटेक्टरों के साथ, उनका अनुमान है कि सुरक्षित प्रमाणन के लिए आवश्यक समय को एक सेकंड से भी कम किया जा सकता है। यह गति वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि उच्च-मूल्य वाले वित्तीय लेनदेन या कानूनी दस्तावेज़ हस्ताक्षर के स्थान को वास्तविक समय में सत्यापित करना। सिस्टम ने स्वतंत्र और समान हमलों (independent and identical attacks) के विरुद्ध मजबूती दिखाई जहाँ एक हमलावर सही स्थान पर न होने के बावजूद मापन सेटिंग्स का अनुमान लगाने की कोशिश करता है, और इस पद्धति के पीछे का गणितीय प्रमाण यह सुनिश्चित करता है कि यदि भौतिकी के नियम सत्य हैं, तो एक शक्तिशाली कंप्यूटर भी स्थान की नकल नहीं कर सकता। हालाँकि, वर्तमान कार्यान्वयन अधिक जटिल, सामान्य हमलों के प्रति असुरक्षित बना हुआ है, जो एक ऐसी सीमा है जिसे शोधकर्ता भविष्य के हार्डवेयर अपग्रेड के साथ संबोधित करने की योजना बना रहे हैं।

यह कार्य क्वांटम पोजीशन वेरिफिकेशन को एक तैनात करने योग्य सेवा बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। पूर्ण ट्रांसमिशन की आवश्यकता को हटाकर और मानक बुनियादी ढांचे का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक शहर-व्यापी क्वांटम सत्यापन नेटवर्क व्यवहार्य है। यह डिज़ाइन एक एकल क्वांटम नोड को कई उपयोगकर्ताओं की सेवा करने की अनुमति देता है, जबकि शेष नेटवर्क शास्त्रीय संकेतों का उपयोग करता है, जिससे यह मौजूदा दूरसंचार ग्रिडों के साथ संगत हो जाता है। हालांकि वर्तमान प्रदर्शन एक छोटी दूरी और एक विशिष्ट प्रकार के हमले तक सीमित था, आगे का रास्ता स्पष्ट है। डिटेक्टर दक्षता और तेज़ स्विचिंग गति में सुधार से इसकी सीमा को पूरे महानगरीय क्षेत्रों को कवर करने के लिए बढ़ाया जा सकता है, जिससे एक ऐसा भविष्य संभव होगा जहाँ डिजिटल हस्ताक्षर स्थान का एक अटूट प्रमाण ले जाएंगे, जो किसी सर्वर के भरोसे के बजाय ब्रह्मांड के भौतिक नियमों पर आधारित होगा।