Quantum Key Distribution with Entanglement-Swapped Photons from a Quantum Emitter

सुरक्षित संचार की दुनिया में, संदेशों को निजी रखने के लिए सबसे भरोसेमंद तरीका प्रकृति के एक अजीब गुण पर निर्भर करता है जिसे क्वांटम एंटैंगलमेंट (quantum entanglement) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि दो कण एक-दूसरे से इतने गहराई से जुड़े हुए 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। यह जुड़ाव दो लोगों को एक गुप्त कोड बनाने की अनुमति देता है जिसे किसी तीसरे पक्ष के लिए बिना पकड़े गए कॉपी करना भौतिक रूप से असंभव है। हालाँकि, इसमें एक बड़ी बाधा है: ये नाजुक कण, जो आमतौर पर प्रकाश के फोटॉन होते हैं, ऑप्टिकल फाइबर या वायुमंडल के माध्यम से यात्रा करते समय फीके पड़ जाते हैं। एक रेडियो सिग्नल के विपरीत, जिसे एम्पलीफायरों द्वारा बढ़ाया जा सकता है, एक क्वांटम सिग्नल को उसकी गुप्त प्रकृति को नष्ट किए बिना कॉपी या मजबूत नहीं किया जा सकता है। लंबी दूरी तक कुंजी भेजने के लिए, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से "क्वांटम रिपीटर" (quantum repeaters) का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया है, जो सुरक्षा को तोड़े बिना रेंज बढ़ाने के लिए रिले स्टेशनों के रूप में कार्य करेंगे। लेकिन इन रिपीटरों को बनाना एक सैद्धांतिक सपना बना हुआ है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि अभी तक किसी ने यह प्रदर्शित नहीं किया है कि वे वास्तव में एक कार्यात्मक गुप्त-कुंजी विनिमय (secret-key exchange) का समर्थन कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस सपने को वास्तविकता बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने प्रकाश का उपयोग करके एक क्वांटम रिपीटर के मुख्य ऑपरेशन का सफलतापूर्वक परीक्षण किया है। क्वांटम डॉट्स नामक सूक्ष्म अर्धचालक क्रिस्टल पर आधारित एक विशेष प्रकाश स्रोत के साथ काम करते हुए, वैज्ञानिक दो दूरस्थ पक्षों, जिन्हें वे एलिस (Alice) और बॉब (Bob) कहते हैं, को 'एंटैंगलमेंट स्वैपिंग' (entanglement swapping) नामक तकनीक का उपयोग करके जोड़ने में सफल रहे। इस प्रक्रिया में, उन्होंने एक ही स्रोत से उलझे हुए फोटॉनों के जोड़े उत्पन्न किए और उन जोड़ों के विशिष्ट सदस्यों को एक केंद्रीय स्टेशन पर भेजा। वहाँ, फोटॉनों को इस तरह से एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) करने के लिए बनाया गया कि इसने प्रभावी रूप से उनके कनेक्शन को "स्वैप" (बदल) दिया। परिणाम यह था कि दो फोटॉन, जो कभी मिले नहीं थे और कभी सीधे उलझे हुए नहीं थे, आपस में जुड़ गए। शोधकर्ताओं ने फिर इन नए जुड़े हुए फोटॉनों का उपयोग एक गुप्त कुंजी उत्पन्न करने के लिए किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह तरीका वास्तविक दुनिया के परिवेश में काम कर सकता है।

यह प्रयोग एक अत्यधिक उन्नत प्रकाश स्रोत पर आधारित था: एक सूक्ष्म ऑप्टिकल कैविटी में एम्बेडेड एकल गैलियम आर्सेनाइड (gallium arsenide) क्वांटम डॉट। यह उपकरण उलझे हुए फोटॉनों के जोड़े बनाने के लिए एक लगभग आदर्श कारखाने की तरह कार्य करता है। जब लेजर द्वारा उत्तेजित किया जाता है, तो क्वांटम डॉट तेजी से दो फोटॉन उत्सर्जित करता है, जिससे एक ऐसा जोड़ा बनता है जो एक गहरे क्वांटम संबंध को साझा करता है। स्वैप करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ही क्वांटम डॉट को लगातार दो बार उत्तेजित किया, जिससे उलझे हुए फोटॉनों के दो अलग-अलग जोड़े बने। उन्होंने पहले जोड़े से एक फोटॉन और दूसरे से एक फोटॉन लिया और उन्हें एक केंद्रीय मापन स्टेशन पर भेजा। पहले फोटॉन के आगमन में दूसरे के समय से मेल खाने के लिए पर्याप्त देरी करके, उन्होंने दोनों को मिलने और हस्तक्षेप करने के लिए मजबूर किया। इस हस्तक्षेप ने शेष दो फोटॉनों—जिन्हें एलिस और बॉब द्वारा रखा गया था—को एक नई, साझा एंटैंगल्ड अवस्था में प्रोजेक्ट किया।

इस सेटअप में चुनौती यह थी कि फोटॉन पूरी तरह से समान नहीं थे, जो कि हस्तक्षेप के सुचारू रूप से काम करने के लिए एक आवश्यकता थी। इस कारण से, शोधकर्ताओं को बहुत चयनात्मक होना पड़ा कि किन घटनाओं को गिना जाए। उन्होंने फोटॉनों के आगमन के सटीक क्षण को देखने के लिए अल्ट्रा-फास्ट डिटेक्टरों का उपयोग किया और केवल उन्हीं घटनाओं के डेटा को रखा जहाँ समय 30 पिकोसेकंड (picoseconds) के बहुत संकीर्ण विंडो के भीतर मेल खाता था। यह एक सेकंड का बहुत छोटा हिस्सा है, लेकिन "शोर" (noise) को फ़िल्टर करने के लिए यह आवश्यक था जो अपूर्ण फोटॉनों के कारण होता है। इस सख्त समय फिल्टर को लागू करके, वे एलिस और बॉब के बीच के संबंध की गुणवत्ता को बढ़ाने में सक्षम रहे। इस फ़िल्टरिंग के बिना, कनेक्शन इतना कमजोर था कि सुरक्षा की गारंटी नहीं दी जा सकती थी, लेकिन इसके साथ, एंटैंगलमेंट की गुणवत्ता इतनी बढ़ गई कि वह एक गुप्त कुंजी का समर्थन कर सके।

टीम ने फिर यह परीक्षण किया कि क्या इस स्वैप्ड कनेक्शन का वास्तव में एक गुप्त कोड साझा करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। उन्होंने त्रुटियों की जांच करने और यह सत्यापित करने के लिए कि कनेक्शन वास्तव में क्वांटम प्रकृति का है, विभिन्न ओरिएंटेशन में फोटॉनों को मापा। उन्होंने पाया कि त्रुटि दर इतनी कम थी कि यह सुरक्षित था, और क्वांटम कनेक्शन इतना मजबूत था कि इसने शास्त्रीय भौतिकी की एक मौलिक सीमा का उल्लंघन किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि कोई जासूस बिना कोई निशान छोड़े कुंजी को बीच में नहीं रोक सकता था। इन मापों का उपयोग करते हुए, उन्होंने गणना की कि एक सुरक्षित कुंजी किस दर से उत्पन्न की जा सकती है। हालांकि वर्तमान दर धीमी है—लगभग एक सेकंड में एक हजारवां बिट—यह एक सकारात्मक संख्या है, जिसका अर्थ है कि इस प्रक्रिया से एक गुप्त कुंजी वास्तव में निकाली जा सकती है। यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रदर्शित करता है कि क्वांटम रिपीटर का बुनियादी घटक एक सॉलिड-स्टेट लाइट सोर्स के साथ कार्य कर सकता है, जो भविष्य के नेटवर्क के लिए एक बड़ा लाभ है जिन्हें कॉम्पैक्ट और विश्वसनीय होने की आवश्यकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि इस प्रणाली में कैसे सुधार किया जा सकता है। उन्होंने नोट किया कि कुंजी उत्पादन की वर्तमान गति इस बात से सीमित है कि प्रकाश स्रोत कितनी कुशलता से फोटॉन उत्पन्न करता है और सिस्टम उन्हें कितनी अच्छी तरह कैप्चर करता है। यदि स्रोत को अधिक उज्ज्वल बनाया जाए और डिटेक्टरों को अधिक कुशल बनाया जाए, तो दर नाटकीय रूप से बढ़ सकती है। इसके अलावा, उन्होंने एक सिमुलेशन किया कि क्या होगा यदि वे 'एंटैंगलमेंट डिस्टिलेशन' (entanglement distillation) नामक प्रक्रिया जोड़ते हैं, जो शोर वाले कनेक्शन को साफ करने के लिए क्वांटम रिपीटर में उपयोग की जाने वाली एक विधि है। उनके गणनाओं से पता चलता है कि उनकी समय-फ़िल्टरिंग तकनीक को डिस्टिलेशन के साथ मिलाने से सुरक्षित कुंजी दर दोगुनी से अधिक हो सकती है। यह संकेत देता है कि यह तकनीक केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है बल्कि एक व्यवहार्य मार्ग है। यह कार्य दिखाता है कि उच्च गुणवत्ता वाले क्वांटम डॉट्स और सावधानीपूर्वक टाइमिंग का उपयोग करके, लंबी दूरी के क्वांटम संचार के लिए आवश्यक एंटैंगल्ड लिंक बनाना संभव है, जो वैश्विक क्वांटम इंटरनेट के दृष्टिकोण को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।