Efficient Heralding of Loss-Tolerant Photonic GHZ States for Device-Independent Conference Key Agreement over Long Distances

एक वास्तव में अभेद्य इंटरनेट बनाने की खोज में, वैज्ञानिक क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों की ओर रुख कर रहे हैं। इस प्रयास के केंद्र में 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) नामक एक अवधारणा है, जहाँ कण एक-दूसरे से इतनी गहराई से जुड़ जाते हैं कि एक को मापने से दूसरे की स्थिति का तुरंत पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह घटना लोगों के एक समूह को एक साझा गुप्त कोड उत्पन्न करने की अनुमति देती है जो गणितीय रूप से किसी भी जासूसी करने वाले के लिए बिना पकड़े गए इसे बीच में रोकने के लिए असंभव है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा है: फाइबर-ऑप्टिक केबलों या हवा के माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश संकेतों का अनिवार्य रूप से क्षय हो जाता है। जैसे-जैसे दूरी बढ़ती है, संकेत कमजोर होता जाता है, और नाजुक क्वांटम लिंक टूट जाता है। कई उपयोगकर्ताओं के नेटवर्क के लिए, सिग्नल का यह नुकसान एक गंभीर बाधा है, जो अक्सर वर्तमान तकनीक के साथ लंबी दूरी के संचार को असंभव बना देता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब जिस तरह के प्रकाश का वे उपयोग करते हैं, उसके मूल स्वरूप को बदलकर इस बाधा को दूर करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने पाया कि सभी क्वांटम अवस्थाएँ सिग्नल के नुकसान का सामना करने के मामले में समान रूप से नाजुक नहीं होती हैं। जबकि दो अलग-अलग प्रकार की क्वांटम अवस्थाएँ एक आदर्श, हानि-मुक्त दुनिया में समान लग सकती हैं, रास्ते में फोटॉन खो जाने पर वे बहुत अलग व्यवहार करती हैं। टीम ने दिखाया कि एक विशिष्ट प्रकार की प्रकाश अवस्था का उपयोग करके—जिसमें शून्य फोटॉन होने और कई फोटॉन होने का मिश्रण शामिल है—वे पहले की तुलना में कहीं अधिक दूरी तक क्वांटम लिंक को बनाए रख सकते हैं। यह सफलता वर्तमान में उपलब्ध अपूर्ण डिटेक्टरों के साथ भी 150 किलोमीटर से अधिक की दूरी पर सुरक्षित गुप्त कुंजियाँ (secret keys) बनाने की अनुमति देती है।

शोधकर्ताओं ने 'डिवाइस-इंडिपेंडेंट कॉन्फ्रेंस की एग्रीमेंट' (device-independent conference key agreement) नामक एक विशिष्ट चुनौती पर ध्यान केंद्रित किया। इस परिदृश्य में, कई लोग एक गुप्त कोड पर सहमत होना चाहते हैं बिना उस हार्डवेयर पर भरोसा किए जिसका वे उपयोग कर रहे हैं। अपने कनेक्शन की सुरक्षा को सिद्ध करने के लिए, उन्हें एक ऐसा परीक्षण करना होगा जो यह प्रदर्शित करे कि उनके कण वास्तव में एंटैंगल्ड (entangled) हैं। समस्या यह है कि यदि डिटेक्टरों तक पहुँचने से पहले बहुत अधिक कण खो जाते हैं, तो परीक्षण विफल हो जाता है, और सुरक्षा को सत्यापित नहीं किया जा सकता है। पिछली विधियाँ फोटॉनों की एक निश्चित संख्या भेजने पर निर्भर थीं, जो कि एक निश्चित संख्या में कंचे (marbles) निकालकर संदेश भेजने की कोशिश करने जैसा है। यदि एक भी कंचा खो जाता है, तो गिनती गलत हो जाती है, और संदेश बर्बाद हो जाता है। नया दृष्टिकोण एक अलग रणनीति का उपयोग करता है, जो एक खाली पन्ने या टेक्स्ट से भरे पन्ने को भेजने के समान है। यदि खाली पन्ना भेजा जाता है, तो फोटॉन का खोना मायने नहीं रखता क्योंकि वहां खोने के लिए कुछ था ही नहीं। यह "वैक्यूम-एन-फोटॉन" (vacuum-n-photon) अवस्था लंबी दूरी पर होने वाले क्षय के प्रति स्वाभाविक रूप से अधिक मजबूत है।

इस विचार को व्यवहार में लाने के लिए, टीम ने एक स्टार-आकार का नेटवर्क डिजाइन किया जहाँ कई उपयोगकर्ता अपने प्रकाश संकेतों को एक केंद्रीय स्टेशन पर भेजते हैं। इस स्टेशन के बीच में, दर्पणों और बीम स्प्लिटर्स का उपयोग करके संकेतों को आपस में मिलाया जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि सबसे मजबूत अवस्था बनाने के लिए, सभी उपयोगकर्ताओं को बिल्कुल एक ही प्रकार का प्रकाश नहीं भेजना चाहिए। इसके बजाय, उन्हें एक विषम (heterogeneous) सेटअप की आवश्यकता थी जहाँ कुछ उपयोगकर्ता एक एकल फोटॉन भेजते थे और अन्य फोटॉनों का जोड़ा भेजते थे। जब ये विभिन्न संकेत केंद्रीय स्टेशन पर मिलते हैं, तो डिटेक्टर क्लिक का एक विशिष्ट पैटर्न एक "हेराल्ड" (herald) के रूप में कार्य करता है, जो यह घोषित करता है कि सभी उपयोगकर्ताओं के बीच एक सफल क्वांटम लिंक बन गया है। यह विधि केंद्र से उपयोगकर्ताओं की ओर एंटैंगल्ड कणों का एक पूर्व-निर्मित समूह भेजने की तुलना में बहुत अधिक कुशल है, जिसमें सभी कणों का सफर में जीवित रहना आवश्यक होता है। उपयोगकर्ताओं द्वारा अपने हिस्से को केंद्र की ओर भेजने से, सफलता की संभावना दूरी बढ़ने के साथ बहुत धीमी गति से घटती है।

टीम ने विस्तृत सिमुलेशन चलाए ताकि यह देखा जा सके कि वास्तविक दुनिया में यह प्रणाली कितनी अच्छी तरह काम करेगी, जिसमें इस तथ्य को भी शामिल किया गया कि फाइबर-ऑप्टिक केबल प्रकाश को अवशोषित करते हैं और डिटेक्टर पूर्ण नहीं होते हैं। उन्होंने पाया कि उनकी नई विधि पुरानी विधियों की तुलना में सिग्नल के नुकसान की बहुत उच्च दर को सहन कर सकती है। चार उपयोगकर्ताओं के नेटवर्क के लिए, आदर्श मापन का उपयोग करते समय नया प्रोटोकॉल 86.5% की निम्न डिटेक्शन दक्षता पर भी सुरक्षित कुंजियाँ उत्पन्न कर सकता है, और वर्तमान-दिवसीय व्यावहारिक डिटेक्टरों का उपयोग करते हुए लगभग 93.4% दक्षता के साथ भी काम कर सकता है। यह एक महत्वपूर्ण सुधार है, क्योंकि पिछली योजनाओं को काम करने के लिए डिटेक्टरों का लगभग पूर्ण होना आवश्यक था। सिमुलेशन ने दिखाया कि 150 किलोमीटर से अधिक की दूरी पर सुरक्षित संचार बनाए रखा जा सकता है, जो इस प्रकार के मल्टी-यूज़र क्वांटम नेटवर्क के लिए पहले पहुंच से बाहर था।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि उपयोगकर्ताओं को टेस्ट के लिए कैसे असाइन किया जाता है, यह मायने रखता है। चूंकि उपयोगकर्ता अलग-अलग प्रकार का प्रकाश भेज रहे हैं, इसलिए नेटवर्क पूरी तरह से सममित (symmetrical) नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सुरक्षा परीक्षण की सफलता इस बात पर निर्भर करती थी कि किन उपयोगकर्ताओं को विशिष्ट माप करने के लिए सौंपा गया है। विशिष्ट मापों के लिए किन उपयोगकर्ताओं को कौन सी भूमिकाएँ दी गई हैं, इसका सावधानीपूर्वक चयन करके, वे क्वांटम लिंक की शक्ति को अधिकतम कर सकते थे। यह अंतर्दृष्टि बताती है कि क्वांटम नेटवर्क डिजाइन करना केवल केबल जोड़ने के बारे में नहीं है, बल्कि सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए प्रकाश स्रोतों के प्रकारों और प्रतिभागियों की भूमिकाओं को रणनीतिक रूप से व्यवस्थित करने के बारे में भी है।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इस प्रणाली को मौजूदा तकनीक के साथ कैसे बनाया जाए। उन्होंने आवश्यक प्रकाश अवस्थाओं को उत्पन्न करने के लिए 'स्पोंटेनियस पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन' (spontaneous parametric down-conversion) नामक एक सामान्य प्रक्रिया का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। हालांकि यह विधि पूर्ण नहीं है और कभी-कभी अतिरिक्त अवांछित फोटॉन भी पैदा कर सकती है, टीम ने दिखाया कि सिस्टम इन खामियों को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है। इन अतिरिक्त फोटॉनों के बावजूद, नेटवर्क अभी भी सुरक्षा परीक्षण पास कर सकता है और एक गुप्त कुंजी उत्पन्न कर सकता है। इसका अर्थ है कि तकनीक के लिए विदेशी या भविष्य के घटकों की आवश्यकता नहीं है, बल्कि इसे प्रयोगशालाओं में पहले से उपलब्ध उपकरणों के साथ बनाया जा सकता है।

अंततः, यह कार्य सुरक्षित क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो शहरों और क्षेत्रों तक फैल सकते हैं। यह समझते हुए कि प्रकाश की भौतिक संरचना क्वांटम एंटैंगलमेंट जितनी ही महत्वपूर्ण है, शोधकर्ताओं ने इन नेटवर्कों को सिग्नल के अनिवार्य नुकसान के प्रति लचीला बनाने का एक तरीका खोज लिया है। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि प्रकाश स्रोतों और नेटवर्क डिजाइन के सही संयोजन के साथ, हम एक ऐसे भविष्य की ओर बढ़ सकते हैं जहाँ सुरक्षित, डिवाइस-इंडिपेंडेंट संचार कई उपयोगकर्ताओं के लिए केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं, बल्कि एक व्यावहारिक वास्तविकता बन जाए। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि प्रकाश में सूचना को कैसे एनकोड किया जाता है, इसका सावधानीपूर्वक चयन करके, हम क्वांटम सुरक्षा की पहुंच को उसकी वर्तमान सीमाओं से बहुत आगे तक बढ़ा सकते हैं।