A flexible and resource-efficient quantum network enabled by integrated photonics

आधुनिक शहरों की शांत गूँज में, फाइबर-ऑप्टिक केबलों का एक विशाल जाल दुनिया के डेटा को ले जाता है, जिसमें निजी संदेशों से लेकर वित्तीय लेनदेन तक शामिल हैं। इस जानकारी को सुरक्षित रखने के लिए, वैज्ञानिकों ने क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (क्वांटम कुंजी वितरण) नामक एक विधि विकसित की है। यह तकनीक गुप्त कोड बनाने के लिए भौतिकी के विचित्र नियमों का उपयोग करती है जो सैद्धांतिक रूप से बिना पकड़े गए हैक करना असंभव है। हालाँकि, एक ऐसा नेटवर्क बनाना जो एक साथ कई लोगों को जोड़ता है, एक कठिन चुनौती रहा है। पारंपरिक दृष्टिकोण अक्सर "ट्रस्टेड नोड्स" (विश्वसनीय नोड्स) पर निर्भर करते हैं, जो कि मध्यवर्ती स्टेशन होते हैं जिन्हें भौतिक रूप से सुरक्षित होना चाहिए; यदि कोई हैकर इनमें से केवल एक स्टेशन से भी समझौता कर लेता है, तो पूरे नेटवर्क की सुरक्षा ध्वस्त हो सकती है। इसके अलावा, मौजूदा प्रणालियाँ कठोर हैं, जिनमें प्रत्येक उन उपयोगकर्ताओं के लिए एक अनूचा, समर्पित चैनल आवश्यक होता है जो आपस में संवाद करना चाहते हैं, जिससे नेटवर्क महंगा हो जाता है और जैसे-जैसे लोग जुड़ते या छोड़ते हैं, इसे विस्तारित करना कठिन हो जाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन नेटवर्कों को बनाने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है जो लचीला और कुशल भी है, जिसमें भारी और महंगे उपकरणों के स्थान पर छोटे चिप्स का उपयोग किया गया है। विश्वसनीय मध्यस्थों पर निर्भर रहने के बजाय, उनका सिस्टम प्रकाश तरंगों की एक चतुर व्यवस्था का उपयोग करता है ताकि कोई भी उपयोगकर्ता किसी अन्य उपयोगकर्ता के साथ सीधे गुप्त जानकारी साझा कर सके। शोधकर्ताओं ने तीन उपयोगकर्ताओं के साथ इस नेटवर्क का एक कामकाजी मॉडल बनाया और दिखाया कि यह 100 किलोमीटर तक की दूरियों पर सुरक्षित कुंजियाँ (कीज़) उत्पन्न कर सकता है, भले ही उपयोगकर्ताओं के बीच के कनेक्शन असमान हों। उन्होंने लंबी, पॉइंट-टू-पॉइंट लिंक पर भी इस सिस्टम का परीक्षण किया, जहाँ 300 किलोमीटर तक पहुँचने पर, कुंजी निर्माण की गति उन प्रणालियों की सैद्धांतिक सीमा से अधिक थी जिनमें रिपीटर्स का उपयोग नहीं किया जाता है। इस सफलता की कुंजी नेटवर्क के संसाधनों के प्रबंधन के लिए एक नई रणनीति थी, जो स्थान या शक्ति को बर्बाद किए बिना बदलते मांगों के अनुकूल वास्तविक समय में ढलने की अनुमति देती है।

इस नए सिस्टम का केंद्र इस बात में निहित है कि यह उस प्रकाश को कैसे संभालता है जो गुप्त जानकारी ले जाता है। एक मानक सेटअप में, यदि आप दस लोगों को जोड़ना चाहते हैं ताकि हर कोई एक-दूसरे से बात कर सके, तो आपको समर्पित लाइनों और डिटेक्टरों के एक जटिल जाल की आवश्यकता होगी, जिसकी आवश्यकता नेटवर्क बड़ा होने पर तेजी से बढ़ती है और प्रबंधनीय नहीं रह जाती। शोधकर्ताओं ने एक वैश्विक प्रबंधन रणनीति पेश करके इस समस्या को हल किया जो भौतिक कनेक्शनों को तार्किक (लॉजिकल) कनेक्शनों से अलग करती है। कल्पना कीजिए कि एक रिंग रोड है जहाँ कारें किसी भी बिंदु पर प्रवेश और बाहर निकल सकती हैं, लेकिन ट्रैफिक कंट्रोल सिस्टम इतना स्मार्ट है कि वह किसी भी दो कारों को उनके गंतव्य तक पहुँचा सके बिना हर संभावित जोड़ी के लिए एक समर्पित हाईवे की आवश्यकता के। उनके नेटवर्क में, उपयोगकर्ता एक रिंग संरचना पर स्थित हैं, और सिस्टम कितने भी उपयोगकर्ता जुड़े हों, प्रकाश के अधिकतम तीन अलग-अलग रंगों का उपयोग करता है। यह पुराने तरीकों की तुलना में एक बड़ी कमी है जिनमें लगभग प्रत्येक उपयोगकर्ता के लिए एक नए रंग की आवश्यकता होती थी।

इसे काम करने के योग्य बनाने के लिए, टीम ने विशिष्ट प्रयोगशालाओं में पाए जाने वाले बड़े, भारी लेजर और मॉड्यूलेटर को कॉम्पैक्ट, एकीकृत चिप्स से बदल दिया। नेटवर्क में प्रत्येक उपयोगकर्ता एक छोटा उपकरण रखता है जो प्रकाश की दो अत्यंत स्थिर किरणें उत्पन्न करता है। ये किरणें इतनी स्थिर हैं कि उनकी आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) केवल कुछ हर्ट्ज़ के मामूली अंतर से विचलित होती है, जो गुप्त कुंजियाँ बनाने के लिए आवश्यक सूक्ष्म क्वांटम हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) के लिए अनिवार्य है। इन प्रकाश किरणों को फिर एक विशेष क्रिस्टल सामग्री से बने दूसरे चिप द्वारा आकार दिया जाता है जो प्रकाश को अविश्वसनीय रूप से तेज़ गति से चालू और बंद कर सकता है। नेटवर्क के केंद्र में, तीसरे प्रकार का चिप एक स्मार्ट राउटर के रूप में कार्य करता है। यह उपकरण, जिसे वेवलेंथ-सिलेक्टिव स्विच कहा जाता है, विभिन्न उपयोगकर्ताओं की प्रकाश किरणों को तुरंत एक ही डिटेक्टर की ओर निर्देशित कर सकता है, जिससे वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (इंटरफेयर) कर सकें। यही हस्तक्षेप वह भौतिक तंत्र है जो यह प्रकट करता है कि क्या कोई जासूसी करने की कोशिश कर रहा है।

शोधकर्ताओं ने एलिस, बॉब और डेविड नामक तीन उपयोगकर्ताओं और चार्ली नामक एक केंद्रीय स्टेशन के शामिल एक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट प्रयोग में अपने डिज़ाइन का परीक्षण किया। उन्होंने यह देखने के लिए कि उनका सिस्टम वास्तविक दुनिया की स्थितियों को कितनी अच्छी तरह संभालता है, अपने नेटवर्क को दो अलग-अलग तरीकों से सेट किया। पहले सेटअप में, उपयोगकर्ताओं को केंद्र से जोड़ने वाले फाइबर केबल सभी समान लंबाई के थे, जिससे एक सममित (सिमेट्रिक) नेटवर्क बना। दूसरे में, केबल अलग-अलग लंबाई के थे, जो एक विषम (असिमेट्रिक) शहरी लेआउट की नकल करते हैं जहाँ उपयोगकर्ता अलग-अलग दूरियों पर बिखरे हुए हैं। दोनों ही मामलों में, सिस्टम ने सफलतापूर्वक सुरक्षित कुंजियाँ उत्पन्न कीं। 100 किलोमीटर की सममित सेटअप के लिए, सिस्टम ने लगभग 23,000 बिट प्रति सेकंड की दर से कुंजियाँ बनाईं। जब कुछ उपयोगकर्ताओं के लिए दूरी बढ़ाकर 125 किलोमीटर कर दी गई, तो दर गिर गई लेकिन कार्यात्मक बनी रही, जिससे कुछ हज़ार बिट प्रति सेकंड की दर से कुंजियाँ बनीं।

तकनीक की सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए, टीम ने पॉइंट-टू-पॉइंट परीक्षण भी चलाए जहाँ दो उपयोगकर्ता केंद्रीय राउटर के बिना सीधे संवाद कर रहे थे। 300 किलोमीटर की दूरी पर, सिस्टम ने कुंजियाँ ऐसी दर से उत्पन्न कीं जो बिना रिपीटर्स वाली प्रणालियों की मौलिक भौतिक सीमा से अधिक थी। यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देता है कि यह चिप-आधारित दृष्टिकोण अंततः महंगे मध्यवर्ती स्टेशनों की आवश्यकता के बिना लंबी दूरी के संचार का समर्थन कर सकता है। शोधकर्ताओं ने इन कुंजियों का उपयोग करके छवियों को एन्क्रिप्ट और डिक्रिप्ट करके इस तकनीक की व्यावहारिक उपयोगिता का भी प्रदर्शन किया। प्रत्येक उपयोगकर्ता ने एक जानवर की तस्वीर को साझा गुप्त कुंजी का उपयोग करके एन्क्रिप्ट किया और स्कैम्बल किया हुआ डेटा सार्वजनिक चैनल पर भेजा। केवल इच्छित प्राप्तकर्ता, जिसके पास मिलान करने वाली कुंजी थी, ही छवि को अनस्क्रैम्बल कर सका और मूल चित्र देख सका, जो यह सिद्ध करता है कि यह प्रणाली वास्तविक दुनिया के डेटा संरक्षण के लिए काम करती है।

इस प्रयोग की सफलता काफी हद तक एकीकृत चिप्स की सटीकता पर निर्भर करती है। लेजर चिप प्रकाश को इतनी संकीर्ण लाइनविड्थ के साथ उत्पन्न करता है जिसे हर्ट्ज़ में मापा जाता है, एक ऐसा स्तर की स्थिरता जो आमतौर पर विशाल, कमरे के आकार के उपकरणों की आवश्यकता होती है। इस लेजर को एक ही चिप पर मॉड्यूलेटर के साथ एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा ट्रांसमीटर बनाया जो एक मानक नेटवर्क कैबिनेट में तैनात करने के लिए पर्याप्त छोटा है। केंद्रीय स्विचिंग चिप भी उतना ही प्रभावशाली है, जो उच्च गति और कम त्रुटि के साथ विभिन्न पथों के बीच प्रकाश को रूट करने में सक्षम है। जब नेटवर्क को अपना कॉन्फ़िगरेशन बदलने की आवश्यकता होती है, जैसे कि जब कोई नया उपयोगकर्ता जुड़ता है या मौजूदा उपयोगकर्ता जाता है, तो स्विच माइक्रोसेकंड में अपने आंतरिक पथों को पुनर्गठित कर सकता है। यह लचीलापन का अर्थ है कि नई मांगों के अनुकूल होने के लिए नेटवर्क को बंद करने या भौतिक रूप से पुनर्गठित करने की आवश्यकता नहीं है।

इन उपलब्धियों के बावजूद, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उनका वर्तमान सेटअप एक प्रोटोटाइप है। चिप्स अभी भी ऑप्टिकल फाइबर से जुड़े हुए हैं, और पूरा सिस्टम अभी तक एक एकल, मोनोलिथिक डिवाइस नहीं है। अगला कदम, जिसे लेखक बताते हैं, लेजर, मॉड्यूलेटर और स्विच को एक ही प्लेटफॉर्म पर एकीकृत करना है। इससे घटकों के बीच फाइबर कनेक्शन समाप्त हो जाएगा, जिससे सिग्नल लॉस कम होगा और सिस्टम और भी अधिक कॉम्पैक्ट और मजबूत बनेगा। वे यह भी नोट करते हैं कि जबकि उनके वर्तमान प्रयोग में तीन उपयोगकर्ता शामिल थे, उनके द्वारा विकसित रणनीति को बहुत बड़े नेटवर्क तक स्केल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उनकी विधि की संसाधन दक्षता का अर्थ है कि अधिक उपयोगकर्ताओं को जोड़ने के लिए वेवलेंथ या डिटेक्टरों की संख्या में आनुपातिक वृद्धि की आवश्यकता नहीं है, जो भविष्य के बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए एक प्रमुख लाभ है।

यह कार्य शहरों और महानगरीय क्षेत्रों के लिए क्वांटम नेटवर्क को एक व्यावहारिक वास्तविकता बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। उन्नत फोटोनिक चिप्स के साथ एक स्मार्ट प्रबंधन रणनीति को जोड़कर, टीम ने दिखाया है कि एक सुरक्षित, लचीला और कुशल नेटवर्क बनाना संभव है। बिना विश्वसनीय नोड्स के लंबी दूरी तक कुंजियाँ उत्पन्न करने की क्षमता, जबकि न्यूनतम संसाधनों का उपयोग किया गया है, उन प्राथमिक बाधाओं को संबोधित करती है जिन्होंने क्वांटम संचार को अपनाने की गति को धीमा कर दिया है। जैसे-जैसे तकनीक परिपक्व होती है और घटक अधिक एकीकृत होते जाते हैं, यह दृष्टिकोण सुरक्षित संचार के बुनियादी ढांचे के लिए एक नया आधार प्रदान कर सकता है, जो तेजी से जुड़ती दुनिया में डेटा की सुरक्षा करेगा।