Experimental Correlation of Electrical and Optical Noise in a DFB Laser: Implications for Quantum Key Distribution and Quantum Random Number Generation

सुरक्षित संचार की अदृश्य दुनिया में, प्रकाश ही संदेशवाहक है। वैज्ञानिक गुप्त कोड ले जाने के लिए लेजर प्रकाश के सूक्ष्म स्पंदों (pulses) का उपयोग करते हैं, जिन्हें सबसे शक्तिशाली कंप्यूटरों द्वारा भी तोड़ा नहीं जा सकता। यह तकनीक, जिसे क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (quantum key distribution) कहा जाता है, इस तथ्य पर निर्भर करती है कि प्रकाश स्वयं व्यक्तिगत कणों से बना है जो अप्रत्याशित तरीकों से व्यवहार करते हैं। साथ ही, अन्य प्रणालियाँ इन समान प्रकाश किरणों के प्राकृतिक उतार-चढ़ाव (jitter) और डगमगाहट (wobble) का उपयोग वास्तविक यादृच्छिकता (randomness) बनाने के लिए करती हैं, जो अनअनुमानित संख्याएँ उत्पन्न करने का आधार है। इन दोनों कार्यों के सफल होने के लिए, लेजर का पूरी तरह से स्थिर होना आवश्यक है, फिर भी यह कभी वास्तव में शांत नहीं होता। प्रत्येक लेजर एक विद्युत धारा (electric current) द्वारा संचालित होता है, और जिस तरह एक नदी में लहरें होती हैं, बिजली में भी सूक्ष्म, यादृच्छिक उतार-चढ़ाव होते हैं। इंजीनियरों के लिए केंद्रीय प्रश्न यह है कि क्या ये विद्युत लहरें उस प्रकाश किरण पर कोई निशान छोड़ती हैं जिसे वे शक्ति प्रदान करती हैं। यदि वे ऐसा करती हैं, तो एक चतुर प्रेक्षक बिजली को सुनकर यह अनुमान लगाने में सक्षम हो सकता है कि प्रकाश क्या कर रहा है, जिससे गोपनीयता भंग हो सकती है। वैकल्पिक रूप से, यदि कनेक्शन को समझ लिया जाए, तो उसी विद्युत शोर (electrical noise) का उपयोग प्रकाश द्वारा प्रदान किए गए शोर से भी अधिक यादृच्छिकता बनाने के लिए किया जा सकता है।

डैमास्कस विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता ने अत्यधिक सटीकता के साथ इस छिपे हुए संबंध को मापने का प्रयास किया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के लेजर पर ध्यान केंद्रित किया जिसे डिस्ट्रीब्यूटेड-फीडबैक लेजर (distributed-feedback laser) कहा जाता है, जो फाइबर-ऑप्टिक संचार में एक मानक कार्यबल है, और 1550 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर कार्य करता है। प्रकाश और बिजली को अलग-अलग देखने के बजाय, उन्होंने ठीक उसी क्षण दोनों को मापा जब वे मौजूद थे। उच्च गति वाले डिजिटल उपकरणों का उपयोग करके, उन्होंने लेजर को खिलाने वाली विद्युत धारा के सूक्ष्म उतार-चढ़ाव और उससे निकलने वाले प्रकाश की चमक के संगत उतार-चढ़ाव को कैप्चर किया। फिर उन्होंने यह देखने के लिए डेटा के इन दो प्रवाहों की तुलना की कि वे एक-दूसरे के साथ कितनी निकटता से चलते हैं। परिणामों ने दोनों के बीच एक स्पष्ट और मजबूत संबंध दिखाया, लेकिन केवल कम गति पर। जब शोधकर्ता ने एक मिलियन चक्र प्रति सेकंड से कम की आवृत्तियों (frequencies) पर देखा, तो विद्युत शोर और ऑप्टिकल शोर आपस में मजबूती से तालमेल रखते थे, जो लगभग 82 प्रतिशत समय एक ही लय में चलते थे। जैसे-जैसे उतार-चढ़ाव की गति बढ़ी, यह संबंध तेजी से फीका पड़ता गया, और उन बहुत उच्च आवृत्तियों पर लगभग अस्तित्वहीन हो गया जहाँ लेजर स्वाभाविक रूप से कंपन करता है।

इस खोज के निहितार्थ इस बात पर निर्भर करते हैं कि लेजर का उपयोग किस कार्य के लिए किया जा रहा है। सुरक्षित संचार प्रणालियों के लिए जो गुप्त कुंजियाँ (secret keys) साझा करती हैं, शोधकर्ता ने पाया कि यह लिंक आम तौर पर कोई खतरा नहीं है। भले ही विद्युत शोर और प्रकाश आपस में जुड़े हुए हैं, लेकिन सैद्धांतिक रूप से बिजली की ओर सुनकर चुराए जाने वाले गुप्त सूचना की मात्रा इतनी कम है कि वह भेजे जा रहे कुल डेटा की तुलना में नगण्य है। एक अरब स्पंद प्रति सेकंड की दर से चलने वाली प्रणाली में, संभावित रिसाव प्रति स्पंद एक दस-मिलियनवें बिट से भी कम है। इसका अर्थ यह है कि मानक, शांत इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ, लेजर सुरक्षित रहता है। हालांकि, शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह माप यह प्रमाणित करने का एक तरीका प्रदान करता है कि एक लेजर सुरक्षित है। विद्युत शोर की वास्तविक समय में निगरानी करके, एक प्रणाली यह पता लगा सकती है कि क्या लेजर पुराना या खराब हो रहा है, जिससे शोर बढ़ सकता है और संभावित रूप से सुरक्षा में सेंध लग सकती है।

अन्य प्रमुख अनुप्रयोग, यानी यादृच्छिक संख्याएँ (random numbers) उत्पन्न करने के लिए, कहानी काफी अलग है। यहाँ, बिजली और प्रकाश के बीच का संबंध एक ऐसी समस्या नहीं है जिसे हल किया जाना है, बल्कि एक संसाधन है जिसका उपयोग किया जाना है। क्योंकि विद्युत शोर और ऑप्टिकल शोर आपस में जुड़े हुए हैं, उनमें ओवरलैपिंग जानकारी होती है। शोधकर्ता ने दिखाया कि इस लिंक को सुलझाने के लिए एक सरल डिजिटल प्रक्रिया का उपयोग करके, वे इस दोनों शोर स्रोतों को स्वतंत्र मान सकते हैं। इसने उन्हें बिजली और प्रकाश दोनों से प्राप्त यादृच्छिकता को बिना किसी जानकारी को दोबारा गिने (double-counting) संयोजित करने की अनुमति दी। परिणाम स्वरूप प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। एक प्रणाली जो केवल प्रकाश के शोर का उपयोग करके 80 मिलियन रैंडम बिट प्रति सेकंड उत्पन्न कर रही थी, वह विद्युत शोर को भी शामिल करके अपने आउटपुट को 96 मिलियन बिट प्रति सेकंड तक बढ़ाने में सक्षम हुई। यह वास्तविक यादृच्छिकता बनाने की गति में बीस प्रतिशत सुधार का प्रतिनिधित्व करता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि लेजर को चलाने वाली बिजली और उसके द्वारा उत्पन्न प्रकाश के बीच के संबंध को समझना क्वांटम तकनीक के भविष्य के लिए आवश्यक है। कम आवृत्तियों पर मजबूत सहसंबंध (correlation) एक भौतिक वास्तविकता है जो इस बात से उत्पन्न होती है कि लेजर के आंतरिक घटक करंट में बदलाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। जबकि यह व्यवहार अच्छी तरह से डिज़ाइन की गई प्रणालियों में न्यूनतम जोखिम पैदा करता है, यह रैंडम नंबर जेनरेटर की दक्षता में सुधार के लिए एक शक्तिशाली उपकरण भी प्रदान करता है। इन सहसंबंधों को सीधे मापकर, इंजीनियर अब अपने लेजर स्रोतों की गुणवत्ता को सत्यापित कर सकते हैं और अपने सिस्टम को डिवाइस के प्राकृतिक शोर से अधिकतम उपयोगी जानकारी निकालने के लिए अनुकूलित कर सकते हैं। यह कार्य मानक विद्युत मापों और क्वांटम सुरक्षा की कठिन आवश्यकताओं के बीच के अंतर को पाटता है, जो यह सुनिश्चित करने के लिए एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है कि हमारे डिजिटल भविष्य को शक्ति देने वाले लेजर सुरक्षित और कुशल दोनों हैं।