Packet-wise multi-hop quantum routing of hybrid quantum-classical packets
यह शोध पत्र एक प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित ऑप्टिकल-फाइबर-आधारित क्वांटम राउटर प्रस्तुत करता है जो शास्त्रीय हेडर को पुनर्जीवित किए बिना हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल पैकेटों के पारदर्शी, मल्टी-हॉप रूटिंग को सक्षम बनाता है, और सफलतापूर्वक गैर-शून्य गुप्त कुंजी दरों (secret key rates) के साथ कई प्राप्तकर्ताओं तक BB84-आधारित क्वांटम कुंजी वितरण को वितरित करता है।
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एक ऐसे भविष्य की कल्पना करें जहाँ इंटरनेट न केवल ईमेल और वीडियो भेजता है, बल्कि ब्रह्मांड की सबसे नाजुक जानकारी भी ले जाता है: क्वांटम डेटा। यह क्वांटम नेटवर्क का वादा है, ऐसे सिस्टम जिन्हें क्वांटम कंप्यूटरों और सेंसरों को जोड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है ताकि वे उस स्तर की सुरक्षा और शक्ति के साथ मिलकर काम कर सकें जिसे वर्तमान तकनीक नहीं छू सकती। इन नेटवर्कों में, सूचना पैकेट के रूप में यात्रा करती है, ठीक वैसे ही जैसे आज हम डिजिटल पत्र भेजते हैं, लेकिन एक महत्वपूर्ण अंतर के साथ। एक मानक इंटरनेट पैकेट डेटा का एक ठोस ब्लॉक होता है, लेकिन एक क्वांटम पैकेट एक नाजुक हाइब्रिड (मिश्रित रूप) होता है। इसमें एक क्लासिकल पता (classical address) होता है, जो साधारण प्रकाश में लिखा जाता है, जो नेटवर्क को बताता है कि कहाँ जाना है, और एक क्वांटम पेलोड (quantum payload) होता है, जो एकल फोटॉन (single photons) की एक धारा है जो ऐसी जानकारी ले जाती है जिसे बिना नष्ट किए कॉपी या देखा नहीं जा सकता। वैज्ञानिकों के लिए सबसे बड़ी चुनौती एक राउटर बनाना रहा है—एक ऐसा उपकरण जो गंतव्य तय करने के लिए पते को पढ़ सके, बिना अंदर मौजूद नाजुक क्वांटम कार्गो को छुए या नष्ट किए। यदि राउटर क्वांटम हिस्से को बहुत करीब से देखता है, तो जानकारी गायब हो जाती है। यदि यह बहुत धीमा है, तो कनेक्शन विफल हो जाता है।
वर्षों तक, शोधकर्ताओं ने पैकेट को हर पड़ाव पर रोकने, पते को पढ़ने और फिर पूरे पैकेज को फिर से बनाने के बाद ही आगे भेजने की प्रक्रिया द्वारा इसे हल करने का प्रयास किया है। पुनरुत्पादन (regeneration) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया एक मुहरबंद पत्र को खोलने, पता कॉपी करने और फिर अगले सफर के लिए नए स्टैम्प के साथ एक नया लिफाफा सील करने वाले डाकिया की तरह है। हालांकि यह काम करता है, लेकिन यह देरी पैदा करता है और इसके लिए नेटवर्क के प्रत्येक नोड पर जटिल उपकरणों की आवश्यकता होती है। दक्षिण कोरिया के एक शोध दल ने, जिसका नेतृत्व ताए योंग पार्क और ही सु पार्क ने किया, अब एक अलग दृष्टिकोण प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक क्वांटम राउटर बनाया जो पैकेट को लगभग पूरी तरह से अछूता रहने देता है, केवल पते के एक बहुत छोटे हिस्से को पढ़ता है ताकि निर्णय लिया जा सके, और फिर बाकी पैकेट को अपने रास्ते पर आगे बढ़ने देता है। इस पद्धति को, जिसका उन्होंने दो हॉप्स (hops) के माध्यम से तीन अलग-अलग रिसीवर्स तक सफलतापूर्वक परीक्षण किया, भविष्य के क्वांटम इंटरनेट के लिए एक बहुत अधिक सुचारू और तेज़ मार्ग प्रदान करता है।
उनके आविष्कार का मूल एक ऐसा उपकरण है जो क्लासिकल पते और क्वांटम डेटा को एक ही फाइबर-ऑप्टिक केबल पर साथ चलते हुए दो अलग-अलग यात्रियों के रूप में मानता है। पता प्रकाश का एक रंग का पल्स (pulse) है, जबकि क्वांटम डेटा थोड़े अलग रंग में यात्रा करता है। जब हाइब्रिड पैकेट राउटर पर पहुँचता है, तो एक विशेष दर्पण जैसी डिवाइस, जिसे फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (fiber Bragg grating) कहा जाता है, एक कोमल फिल्टर के रूप में कार्य करती है। यह क्लासिकल पते की रोशनी के केवल दस प्रतिशत हिस्से को डिटेक्टर की ओर परावर्तित (reflect) करती है, जिससे सिस्टम यह पढ़ पाता है कि पैकेट को कहाँ जाना है। पते की शेष नब्बे प्रतिशत रोशनी, और पूरा क्वांटम पेलोड, बिना विचलित हुए सीधे गुजर जाता है। एक बार जब डिटेक्टर पते को पढ़ लेता है, तो वह एक ऑप्टिकल स्विच को संकेत भेजता है, जो एक तेज़ गेट (gate) है जो पैकेट के शेष भाग के लिए उसके गंतव्य की ओर बाहर निकलने का सही रास्ता खोल देता है। क्योंकि क्वांटम डेटा कभी रुकता नहीं है और न ही इसे मापा जाता है, इसलिए यह बरकरार रहता है, जिससे सुरक्षित संचार के लिए आवश्यक नाजुक क्वांटम अवस्था सुरक्षित रहती है।
यह अवधारणा वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में काम करती है, यह साबित करने के लिए, टीम ने अपनी प्रयोगशाला में एक प्रेषक (sender) को तीन अलग-अलग रिसीवर्स से जोड़ने का प्रयोग स्थापित किया। उन्होंने क्वांटम कुंजियों (quantum keys) वाले पैकेट भेजे, जिनका उपयोग अटूट एन्क्रिप्शन कोड बनाने के लिए किया जाता है, और इन पैकेटों को श्रृंखला में दो नए राउटरों के माध्यम से भेजा। पहले राउटर ने पैकेट को या तो पहले रिसीवर की ओर निर्देशित किया या दूसरे राउटर की ओर। यदि यह दूसरे राउटर की ओर गया, तो उस डिवाइस ने पते को फिर से पढ़ा और पैकेट को दूसरे या तीसरे रिसीवर की ओर भेज दिया। शोधकर्ताओं ने BB84 प्रोटोकॉल नामक एक विशिष्ट विधि का उपयोग किया, जो सूचना को एनकोड करने के लिए प्रकाश स्पंदों (light pulses) के समय पर निर्भर करता है, और उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए अतिरिक्त "डिकॉय" (decoy) सिग्नल भी शामिल किए कि कोई जासूसी न कर रहा हो। उन्होंने इन क्वांटम कुंजियों को सफलतापूर्वक तीनों रिसीवर्स तक पहुँचाया, यहाँ तक कि जब पैकेट दो राउटरों से होकर गुजरे थे। सिस्टम ने सिंगल-हॉप कनेक्शन के लिए 270 बिट्स प्रति सेकंड तक और डबल-हॉप मार्गों के लिए थोड़ा कम की दर से गुप्त कुंजियाँ उत्पन्न कीं, जिससे सिद्ध हुआ कि क्वांटम जानकारी यात्रा के दौरान सुरक्षित रही।
परिणामों ने दिखाया कि नया राउटर डिज़ाइन अत्यधिक कुशल है, जो सिग्नल के गुजरने पर बहुत कम नुकसान (loss) पैदा करता है। सिस्टम द्वारा जोड़ी गई कुल देरी न्यूनतम थी, और क्वांटम डेटा में त्रुटि दर इतनी कम रही कि सुरक्षित कुंजियाँ बनाई जा सकें। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जो थोड़ा बहुत शोर (noise) दिखाई दिया, वह क्लासिकल पते की रोशनी के क्वांटम चैनल में थोड़ा लीक होने के कारण था, एक ऐसी समस्या जिसे वे भविष्य में बेहतर उपकरणों के साथ हल करने की उम्मीद करते हैं। पिछले तरीकों के विपरीत, जिन्हें हर पड़ाव पर पैकेट को फिर से बनाने की आवश्यकता होती थी, यह पारदर्शी दृष्टिकोण नेटवर्क को अधिक आसानी से स्केल करने की अनुमति देता है। इन राउटरों को क्रमबद्ध (cascading) करके, एक नेटवर्क संभावित रूप से बार-बार सिग्नल पुनरुत्पादन के भारी दंड के बिना कई अधिक उपयोगकर्ताओं को जोड़ सकता है। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक गतिशील, बहु-उपयोगकर्ता क्वांटम नेटवर्क बनाना संभव है जहाँ सूचना स्वतंत्र रूप से और सुरक्षित रूप से प्रवाहित होती है, जो कल के क्वांटम इंटरनेट के लिए एक व्यावहारिक आधार तैयार करता है।
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