Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot
यह शोध पत्र एक 1.59 किमी फाइबर लिंक पर फील्ड-डिप्लॉयड एंटैंगलमेंट-आधारित BBM92 क्वांटम कुंजी वितरण प्रणाली का प्रदर्शन करता है, जो एक रंगीन छवि को एन्क्रिप्ट करने में सक्षम 14.2 Mbit की सुरक्षित कुंजी उत्पन्न करने के लिए टेलीकॉम तरंगदैर्ध्यों में फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन के साथ संयुक्त एक उच्च-दर क्वांटम डॉट स्रोत का उपयोग करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
सुरक्षित संचार की दुनिया में, लक्ष्य एक ऐसा संदेश भेजना है जिसे कोई और पढ़ न सके, भले ही उनके पास कल्पना से भी अधिक शक्तिशाली कंप्यूटर हों। दशकों से, यह जटिल गणितीय पहेलियों पर निर्भर रहा है जिन्हें हल करना कठिन है लेकिन सैद्धांतिक रूप से तोड़ना संभव है। क्वांटम भौतिकी एक अलग मार्ग प्रदान करती है, जो गणित के बजाय प्रकृति के मौलिक नियमों पर आधारित है। यह एक गुप्त कोड बनाने के लिए प्रकाश के कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, के विचित्र व्यवहार का उपयोग करती है। यदि कोई जासूस सुनने की कोशिश करता है, तो प्रकाश को देखने की क्रिया ही उसे बदल देती है, जिससे उपयोगकर्ताओं को पता चल जाता है कि लाइन के साथ छेड़छाड़ हुई है। इस पद्धति को, जिसे क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (क्वांटम कुंजी वितरण) के रूप में जाना जाता है, एक ऐसे सुरक्षा स्तर का वादा करता है जो स्वयं ब्रह्मांड द्वारा गारंटीकृत है। हालाँकि, इस सिद्धांत को वास्तविक दुनिया के व्यावहारिक उपकरण में बदलना कठिन रहा है। आवश्यक प्रकाश स्रोत अक्सर कमजोर होते हैं, और सिग्नल उन कांच के रेशों (फाइबर) के माध्यम से भेजे जाने पर जल्दी खराब हो जाते हैं जो हमारे इंटरनेट ट्रैफ़िक को ले जाते हैं।
जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस तकनीक को प्रयोगशाला से बाहर काम करने के योग्य बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने सफलतापूर्वक एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो एक छोटे, कृत्रिम परमाणु के रूप में जाने जाने वाले 'क्वांटम डॉट' का उपयोग करके एक सुरक्षित गुप्त कुंजी उत्पन्न करती है। यह स्रोत विशेष है क्योंकि यह अविश्वसनीय रूप से उज्ज्वल और विश्वसनीय है, जो एक सेकंड में एक अरब बार उलझे हुए (एंटैंगल्ड) फोटॉन के जोड़े छोड़ने में सक्षम है—ऐसे कण जो दूरी के बावजूद रहस्यमय रूप से जुड़े रहते हैं। इन कणों को उपयोगी होने के लिए पर्याप्त दूर तक भेजने के लिए, टीम को तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) की समस्या को हल करना पड़ा। क्वांटम डॉट स्वाभाविक रूप से ऐसे रंग का प्रकाश उत्सर्जित करता है जो मानक फाइबर-ऑप्टिक केबलों द्वारा जल्दी अवशोषित कर लिया जाता है। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक जोड़े में एक फोटॉन के रंग को बदलने के लिए 'फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन' नामक एक चतुर युक्ति का उपयोग किया, ताकि वह एक ऐसे शेड में बदल जाए जो लंबी दूरी के केबलों के माध्यम से आसानी से यात्रा कर सके, और यह सब दो कणों के बीच विशेष संबंध को बरकरार रखते हुए किया गया।
यह प्रयोग स्टटगार्ट विश्वविद्यालय के परिसर में आयोजित किया गया था, जिसने लगभग 700 मीटर की सीधी दूरी पर स्थित दो इमारतों को जोड़ा। टीम ने दोनों स्थानों के बीच 1.59 किलोमीटर लंबे ऑप्टिकल फाइबर बिछाए, जिससे एक वास्तविक दुनिया का परीक्षण मंच तैयार हुआ जो एक शहर के नेटवर्क की नकल करता है। एक इमारत, जो प्रेषक (सेंडर) के रूप में कार्य कर रही थी, उसमें क्वांटम डॉट स्रोत और प्रकाश को तैयार करने वाले उपकरण रखे गए थे। दूसरी इमारत, जो प्राप्तकर्ता (रिसीवर) के रूप में कार्य कर रही थी, उसमें आने वाले फोटॉन को मापने के लिए आवश्यक डिटेक्टर और इलेक्ट्रॉनिक्स शामिल थे। चूंकि फाइबर केबल पर्यावरण के संपर्क में थे, इसलिए दिन भर तापमान में बदलाव के कारण प्रकाश का ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन), या उसका ओरिएंटेशन, विचलित होता रहा। इसका मुकाबला करने के लिए, टीम ने एक स्वचालित प्रणाली स्थापित की जो लगातार प्रकाश के पथ की निगरानी और समायोजन करती रही, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि बदलती परिस्थितियों के बावजूद सिग्नल स्थिर बना रहे।
19 घंटों की अवधि के दौरान, सिस्टम निरंतर चलता रहा और सुरक्षित डेटा की एक निरंतर धारा उत्पन्न करता रहा। शोधकर्ताओं ने यह मापा कि वे प्रति सेकंड कितने गुप्त बिट बना सकते हैं, जिसमें उन अपरिहार्य त्रुटियों को भी शामिल किया गया जो लंबी दूरी पर प्रकाश भेजने के दौरान होती हैं। उन्होंने पाया कि सिस्टम ने प्रति सेकंड 206 बिट की दर से एक सुरक्षित कुंजी बनाई। हालांकि यह संख्या आधुनिक इंटरनेट की गति की तुलना में छोटी लग सकती है, लेकिन समय के साथ यह डेटा की एक विशाल मात्रा है; एक दिन से भी कम समय में, सिस्टम ने 14.2 मिलियन बिट्स की कुल सुरक्षित कुंजी उत्पन्न की। यह परिसर की एक पूर्ण-रंग वाली छवि को एन्क्रिप्ट और डिक्रिप्ट करने के लिए पर्याप्त था, जिससे यह सिद्ध हुआ कि कुंजी वास्तविक दुनिया के डेटा की सुरक्षा करने के लिए पर्याप्त लंबी और मजबूत थी। जब उस छवि को कच्चे, बिना सुधारे गए की (raw key) के साथ डिक्रिप्ट किया गया, तो वह त्रुटियों के साथ बिखरी हुई दिखाई दी, लेकिन जब इसे अंतिम, शुद्ध की (purified key) के साथ डिक्रिप्ट किया गया, तो तस्वीर पूरी तरह स्पष्ट थी, जो यह प्रदर्शित करता है कि सिस्टम ने शोर और त्रुटियों को सफलतापूर्वक छान लिया था।
इस प्रयोग की सफलता क्वांटम डॉट के अद्वितीय गुणों पर निर्भर करती है, जो उलझे हुए प्रकाश के एक अत्यधिक कुशल कारखाने के रूप में कार्य करता है। पुराने प्रकाश स्रोतों के विपरीत, जो कभी-कभी एक साथ बहुत अधिक फोटॉन भेज देते हैं या उन्हें विश्वसनीय रूप से उत्पन्न करने में विफल रहते हैं, यह स्रोत उज्ज्वल और सटीक है। इस स्रोत को प्रकाश के रंग को दूरसंचार मानक से मेल खाने के लिए बदलने वाले उपकरण के साथ जोड़कर, टीम ने उच्च-प्रदर्शन वाली क्वांटम भौतिकी और मौजूदा फाइबर नेटवर्क के बीच के अंतर को पाट दिया। उन्होंने एक साझा क्लॉक सिग्नल का उपयोग करके दो दूरस्थ स्थानों को समय में भी पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ (तुल्यकालिक) बनाए रखा, जो उसी फाइबर के माध्यम से भेजा गया था, और यह फोटॉन के जोड़ों को मिलाने के लिए आवश्यक है। यह कार्य यह दर्शाता है कि नियंत्रित प्रयोगशाला वातावरण की आवश्यकता के बिना, मानक केबलों का उपयोग करके और पर्यावरणीय परिवर्तनों से निपटते हुए, एक वास्तविक दुनिया के परिवेश में एक जटिल क्वांटम नेटवर्क चलाना संभव है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के वैश्विक क्वांटम इंटरनेट के निर्माण खंड, जहाँ सुरक्षित संचार एक अपवाद के बजाय एक मानक होगा, पहले से ही पहुंच के भीतर हैं।
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