Experimental generation of asymmetric keys from the parity structure of a two-photon six-qubit entangled state
यह शोध पत्र एक भौतिकी-आधारित असममित कुंजी-निर्माण योजना का प्रस्ताव करता है और प्रयोगात्मक रूप से उसे प्रदर्शित करता है जो स्थानीय समानता जांचों (parity checks) का उपयोग करके त्रुटियों को सुधारने और एक एकल सार्वजनिक बिट के माध्यम से सुरक्षित कुंजी पुनर्निर्माण को सक्षम करने के लिए एक छह-क्विबिट फोटोनिक एंटैंगल्ड अवस्था से सार्वजनिक और निजी कुंजियाँ व्युत्पन्न करता है, जो कम्प्यूटेशनल हार्डनेस धारणाओं पर निर्भर नहीं है।
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गुप्त संचार की दुनिया में, एक संदेश की सुरक्षा अक्सर इस बात पर निर्भर करती है कि एक चोर के लिए उस कुंजी (key) का अनुमान लगाना कितना कठिन है जिसका उपयोग उसे लॉक करने के लिए किया गया है। दशकों से, सबसे सुरक्षित ताले जटिल गणित पर निर्भर रहे हैं, यह मानते हुए कि कोई भी कंप्यूटर, चाहे वह कितना भी शक्तिशाली क्यों न हो, कोड को तोड़ने के लिए पहेली को इतनी तेज़ी से हल नहीं कर पाएगा। हालाँकि, क्वांटम भौतिकी के क्षेत्र से एक अलग दृष्टिकोण उभरा है, जहाँ प्रकृति के नियम स्वयं सुरक्षा की गारंटी देते हैं। कठिन गणित पर निर्भर रहने के बजाय, ये प्रणालियाँ प्रकाश के सूक्ष्म कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, के विचित्र व्यवहार का उपयोग करती हैं। जब दो फोटॉन "एंटैंगल्ड" (entangled) होते हैं, तो वे एक गहरा संबंध साझा करते हैं जो तब भी बना रहता है जब वे एक-दूसरे से बहुत दूर होते; एक को मापने से तुरंत दूसरे के बारे में जानकारी मिल जाती है। यह संबंध एक ऐसी साझा यादृच्छिकता (randomness) बनाता है जिसे सिस्टम को बाधित किए बिना या उसकी नकल किए बिना अनुमान लगाना या कॉपी करना असंभव है, जिससे उपयोगकर्ताओं को किसी भी जासूसी के प्रयास की सूचना मिल जाती है।
भारतीय विज्ञान संस्थान, बेंगलुरु के शोधकर्ताओं ने अब इन उलझे हुए (entangled) कणों की एक विशिष्ट, अत्यधिक संरचित व्यवस्था का उपयोग करके गुप्त कुंजियाँ उत्पन्न करने का एक नया तरीका प्रदर्शित करके इस अवधारणा को एक कदम आगे बढ़ाया है। अपने प्रयोग में, उन्होंने केवल दो फोटॉनों का उपयोग करके एक छह-क्यूबिट अवस्था (six-qubit state) बनाई, जो सूचना के छह परस्पर जुड़े हुए टुकड़ों की एक जटिल प्रणाली है। प्रत्येक फोटॉन तीन डेटा भाग ले जाता था: एक उसके ध्रुवीकरण (polarization), यानी उसके कंपन की दिशा, पर आधारित और दो उसके पथ (path), यानी प्रयोगशाला में उसके द्वारा लिए गए मार्ग, पर आधारित। इन फोटॉनों को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, टीम ने एक ऐसी अवस्था तैयार की जहाँ एलिस (Alice) और बॉब (Bob) द्वारा रखी गई जानकारी एक सख्त 'इवन पैरिटी' (even parity) के नियम का पालन करती थी। इसका अर्थ यह है कि प्रत्येक पक्ष के तीन बिट्स के भीतर, एकों (ones) और शून्य (zeros) की संख्या हमेशा एक विशिष्ट तरीके से संतुलित रहती थी, और दोनों सेट उनके साझा एंटैंगलमेंट के माध्यम से एक-दूसरे से बंधे हुए थे।
इस पद्धति की श्रेष्ठता इस बात में निहित है कि यह त्रुटियों को कैसे संभालती है और कुंजियाँ कैसे उत्पन्न करती है। कई क्वांटम प्रणालियों में, उपकरण की शोर (noise) या खामियां डेटा को दूषित कर सकती हैं, जिससे उपयोगकर्ताओं को साफ हिस्सों को खोजने के लिए विशाल मात्रा में जानकारी को छानना पड़ता है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने सिस्टम के भौतिक विज्ञान में सीधे एक स्व-जांच तंत्र (self-checking mechanism) बनाया। पैरिटी नियम के कारण, एलिस और बॉब बाहरी दुनिया को अपनी गुप्त बिट्स बताए बिना, प्रत्येक दौर में स्थानीय रूप से अपने डेटा की अखंडता की पुष्टि कर सकते थे। यदि कोई माप पैरिटी चेक में विफल रहता था, तो उसे उपकरण के शोर के कारण हुई एक दोषपूर्ण रीडिंग मानकर तुरंत त्याग दिया जाता था, न कि किसी हैकर के संकेत के रूप में। इसने उन्हें त्रुटियों को अंतिम कुंजी का हिस्सा बनने से पहले ही छानने की अनुमति दी, जिससे त्रुटि दर काफी कम हो गई।
एक बार जब साफ डेटा सुरक्षित हो गया, तो प्रोटोकॉल ने सूचना के अत्यंत कुशल आदान-प्रदान की अनुमति दी। एलिस ने सार्वजनिक रूप से अपने डेटा का केवल एक एकल बिट घोषित किया, जिसे उसके पथ की जानकारी में से यादृच्छिक रूप से चुना गया था। इस सार्वजनिक बिट ने बॉब के लिए उसकी शेष जानकारी को अनलॉक करने वाली एक कुंजी के रूप में कार्य किया। उनके एंटैंगल्ड स्टेट द्वारा स्थापित नियतकालिक सहसंबंधों (deterministic correlations) के कारण, बॉब अपने निजी डेटा को उस एकल सार्वजनिक बिट के साथ जोड़कर एलिस के पूरे तीन बिट्स का पुनर्निर्माण कर सकता था। इस पुनर्निर्माण ने उन दो गुप्त बिट्स को प्रकट किया जिन्हें एलिस ने निजी रखा था, जिनका उपयोग उसने अपने संदेश को एन्क्रिप्ट करने के लिए किया। यह प्रक्रिया पूरी तरह से सममित (symmetric) थी, जिसका अर्थ है कि बॉब भी एलिस के लिए ऐसा ही कर सकता था। इस डिज़ाइन ने कुंजी निर्माण की गति को प्रभावी रूप से दोगुना कर दिया, क्योंकि प्रत्येक सफल दौर एन्क्रिप्शन के लिए केवल एक के बजाय दो निजी बिट्स उत्पन्न करता था।
टीम ने एक विशेष प्रकाश स्रोत का उपयोग करके एक वास्तविक प्रयोगशाला सेटिंग में इस प्रणाली का परीक्षण किया, जो एंटैंगल्ड फोटॉन युग्मों को बनाने के लिए उपयोग किया गया था, और कोडिंग प्रक्रिया के माध्यम से उन्हें निर्देशित करने के लिए दर्पणों और बीम स्प्लिटर की एक श्रृंखला का उपयोग किया गया। उन्होंने अपने एंटैंगलमेंट की गुणवत्ता को मापा और पाया कि यह असाधारण रूप से मजबूत था, जिसका मान शास्त्रीय भौतिकी की सीमाओं का स्पष्ट रूप से उल्लंघन करता था, जो यह सिद्ध करता है कि क्वांटम संबंध वास्तविक था। प्रयोग ने 130,000 बिट्स प्रति सेकंड से अधिक की कच्ची कुंजी निर्माण दर (raw key generation rate) उत्पन्न की, और त्रुटि दर 5 प्रतिशत से कम थी, जो व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त कम है। प्राप्त कुंजियाँ पूरी तरह से संतुलित पाई गईं, जिनमें शून्य और एक का समान मिश्रण था, जो उनकी वास्तविक यादृच्छिकता की पुष्टि करता है।
यह कार्य आधुनिक क्रिप्टोग्राफी के गणितीय आधारों के लिए एक सम्मोहक विकल्प पेश करता है। समीकरणों को हल करने की कठिनाई के बजाय क्वांटम यांत्रिकी के मूलभूत नियमों से सुरक्षा प्राप्त करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे संचार का मार्ग दिखाया है जो स्वयं ब्रह्मांड की प्रकृति द्वारा सुरक्षित है। एक संक्षिप्त और कुशल भौतिक प्रणाली का उपयोग करके विषम कुंजियाँ (asymmetric keys)—जहाँ एक सार्वजनिक जानकारी एक निजी कुंजी के पुनर्निर्माण की अनुमति देती है—जनरेट करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि भविष्य में सुरक्षित संचार केवल कम्प्यूटेशनल शक्ति का मामला नहीं होगा, बल्कि भौतिक वास्तविकता का मामला होगा। यह प्रयोग इस बात का प्रमाण है कि जटिल, बहु-कण क्वांटम अवस्थाओं को सटीकता के साथ उन कार्यों को करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है जिनके लिए पहले बहुत बड़ी या अधिक अमूर्त प्रणालियों की आवश्यकता मानी जाती थी, जो क्वांटम-सुरक्षित संचार के वादे को रोजमर्रा की वास्तविकता के करीब लाता है।
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