An asymmetric atom-photon architecture for device-independent quantum key distribution over 25 km

अभेद्य संचार की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे गुप्त कोड साझा करने का तरीका खोज रहे हैं जो तब भी सुरक्षित रहें जब उन्हें बनाने वाली मशीनें त्रुटिपूर्ण या अविश्वसनीय हों। यह लक्ष्य क्वांटम एंटैंगलमेंट (quantum entanglement) नामक एक घटना पर निर्भर करता है, जहाँ दो कण एक-दूसरे से इस तरह गहराई से जुड़ जाते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। जबकि इस तकनीक के शुरुआती संस्करणों के लिए दोनों पक्षों के पास कनेक्शन को सत्यापित करने के लिए जटिल, नाजुक क्वांटम कंप्यूटरों का होना आवश्यक था, एक नया दृष्टिकोण सेटअप को सरल बनाने का लक्ष्य रखता है। एक स्थिर परमाणु से प्रकाश के एक एकल कण को दूर स्थित रिसीवर तक भेजकर, शोधकर्ता उपकरण पर भरोसा किए बिना लिंक की सुरक्षा का परीक्षण कर सकते हैं। यह विधि, जिसे डिवाइस-इंडिपेंडेंट क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (device-independent quantum key distribution) कहा जाता है, डेटा को भविष्य के किसी भी कंप्यूटर से सुरक्षित करने का वादा करती है, लेकिन वास्तविक दुनिया की दूरियों पर इसे हासिल करना अविश्वसनीय रूप से कठिन रहा है क्योंकि परमाणु और प्रकाश के बीच का नाजुक संबंध पर्यावरण द्वारा आसानी से टूट जाता है।

जर्मनी में भौतिकविदों की एक टीम ने अब मानक ऑप्टिकल फाइबर के पच्चीस किलोमीटर की दूरी पर इस उन्नत सुरक्षा प्रोटोकॉल को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है। उनका प्रयोग एक एकल ट्रैप्ड कैल्शियम आयन (trapped calcium ion), जो एक स्थिर मेमोरी के रूप में कार्य करता है, को एक दूरस्थ स्टेशन से जोड़ता है जो केबल के माध्यम से यात्रा करने वाले फोटॉन को मापता है। चुनौती यह थी कि फोटॉन जब शहर के नेटवर्क के अंधेरे, घुमावदार फाइबर के माध्यम से यात्रा कर रहा था, तब क्वांटम लिंक को बरकरार रखा जाए, जहाँ तापमान परिवर्तन और कंपन सूचना को अस्त-व्यस्त कर सकते हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक प्रणाली बनाई जो फोटॉन के रंग को दो बार परिवर्तित करती है: पहले उसे ऐसे तरंग दैर्ध्य (wavelength) में बदलना जिससे वह फाइबर के माध्यम से कुशलतापूर्वक यात्रा कर सके, और फिर उसे पहचान के लिए उसके मूल रंग में वापस बदलना। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने एक सक्रिय स्थिरीकरण प्रणाली (active stabilization system) जोड़ी जो लगातार प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) के ओरिएंटेशन की निगरानी और सुधार करती है, यह सुनिश्चित करते हुए कि नाजुक क्वांटम संबंध यात्रा के दौरान जीवित रहे।

परिणाम एक कार्यशील लिंक है जो बिना रिमोट डिटेक्टर की आंतरिक कार्यप्रणाली का निरीक्षण किए सुरक्षित कनेक्शन की क्षमता को प्रदर्शित करता है। टीम ने एक विशिष्ट सांख्यिकीय मान मापा जो यह दर्शाता है कि दोनों कण कितने मजबूती से एंटैंगल्ड हैं, और एक परिणाम प्राप्त किया जो उनके द्वारा उपयोग किए गए विशिष्ट मॉडल के तहत एक गुप्त कुंजी (secret key) उत्पन्न करने के लिए आवश्यक सीमा से अधिक है। यह मान, जो त्रुटि के एक छोटे मार्जिन के साथ 2.75 था, 2.362 के उस न्यूनतम स्तर से काफी अधिक है जो उनके मॉडल में एक सकारात्मक एसिम्प्टोटिक सीक्रेट-की फ्रैक्शन (positive asymptotic secret-key fraction) का सुझाव देने के लिए आवश्यक है। दो सप्ताह के अभियान के दौरान एकत्र किए गए डेटा से, शोधकर्ताओं ने लगभग दस हजार सफल घटनाओं से साठ-नौ गुप्त बिट्स की जानकारी का एक रूढ़िवादी अनुमान निकाला। हालांकि यह संख्या प्रयोगशाला के एक आदर्श वातावरण में संभव चीज़ों की तुलना में कम है, और हालांकि उसी डेटासेट का उपयोग अनुकूलन और मूल्यांकन के लिए किया गया था (जिसका अर्थ है कि एक अंतिम डिवाइस-इंडिपेंडेंट सुरक्षा दावा नहीं किया गया है), यह एक महत्वपूर्ण 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है कि ऐसा सिस्टम लैब के बाहर काम कर सकता है।

इस प्रयोग में उपयोग किया गया आर्किटेक्चर विशिष्ट है क्योंकि यह एसिमेट्रिक (asymmetric) है, जिसका अर्थ है कि लिंक के दोनों छोर समान नहीं हैं। एक तरफ जटिल आयन ट्रैप है, जबकि दूसरी तरफ एक बहुत सरल स्टेशन है जिसे केवल पहुँचने वाले फोटॉन का पता लगाने की आवश्यकता होती है। यह डिज़ाइन विशेष रूप से क्वांटम नेटवर्क के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह दूरस्थ स्टेशनों को अपने महंगे क्वांटम मेमोरी हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना शहर के ग्रिड में कहीं भी रखने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि उनकी प्रणाली मौजूदा दूरसंचार बुनियादी ढांचे के साथ संगत है, जिसमें मानक फाइबर केबल और उपकरण का उपयोग किया गया है जिन्हें वर्तमान नेटवर्क में एकीकृत किया जा सकता है। इस दूरी तक क्वांटम लिंक को सफलतापूर्वक बनाए रखकर, टीम ने एक सुरक्षित, शहर-व्यापी नेटवर्क बनाने की दिशा में एक व्यवहार्य मार्ग स्थापित किया है जहाँ संवेदनशील डेटा को हार्डवेयर की जटिलता के बजाय भौतिकी के मूलभूत नियमों द्वारा सुरक्षित किया जा सकता है।

प्रयोग सटीक टाइमिंग और सावधानीपूर्वक फ़िल्टरिंग पर निर्भर था ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि सिग्नल वातावरण के शोर में खो न जाए। फोटॉन, एक बार जब अपने मूल रंग में वापस बदल दिया जाता है, तो एक संकीर्ण फिल्टर से गुजरता है जो डिटेक्टरों तक पहुँचने से पहले बिखरे हुए प्रकाश को ब्लॉक कर देता है। पूरी प्रक्रिया को रिमोट स्टेशन से भेजे गए एक इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल द्वारा ट्रिगर किया गया था, जो पुष्टि करता था कि एक फोटॉन आ गया है इससे पहले कि परमाणु को मापा जाए। यह "हेरेल्डेड" (heralded) दृष्टिकोण यह सुनिश्चित करता है कि शोधकर्ता केवल उन क्षणों को गिनते हैं जब कनेक्शन सफलतापूर्वक स्थापित हो गया था, जिससे फोटॉन हानि या बैकग्राउंड इंटरफेरेंस के कारण विफल होने वाले कई प्रयासों को फ़िल्टर किया जा सके। टीम ने देखा कि आयन और फोटॉन के बीच क्वांटम सहसंबंध (quantum correlation) समय के साथ एक अनुमानित पैटर्न में दोलन करता है, एक ऐसा व्यवहार जो सैद्धांतिक अपेक्षाओं से मेल खाता है और पुष्टि करता है कि सिस्टम सही ढंग से काम कर रहा है।

आगे देखते हुए, शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि वर्तमान सीमाएं, जैसे कि सफल घटनाओं की कम दर, बेहतर फोटॉन संग्रह विधियों और तेज़ प्रसंस्करण के साथ सुधारी जा सकती हैं। वे उल्लेख करते हैं कि सिग्नल के यात्रा करने और सिस्टम के रीसेट होने में लगने वाला समय यह सीमित करता है कि कुंजी कितनी तेज़ी से उत्पन्न की जा सकती है, लेकिन ये इंजीनियरिंग चुनौतियाँ हैं जिन्हें भविष्य की तकनीक के साथ संबोधित किया जा सकता है। इस पच्चीस किलोमीटर के परीक्षण की सफलता यह प्रदर्शित करती है कि लंबी दूरी की, डिवाइस-इंडिपेंडेंट सुरक्षा की मौलिक बाधाओं को दूर किया जा सकता है। यह विस्तृत मेट्रोपॉलिटन क्षेत्रों को कवर करने के लिए सुरक्षित नेटवर्क के विस्तार के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है, जो सैद्धांतिक रूप से अभेद्य संचार के वादे को वास्तविकता के करीब लाता है।