Discrete value QKD based on a three MUBs efficient KXB10 protocol using spatial light modes

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपके द्वारा भेजे गए रहस्य जटिल गणितीय पहेलियों द्वारा सुरक्षित नहीं हैं जिन्हें एक दिन सुलझाया जा सकता है, बल्कि प्रकृति के मौलिक नियमों द्वारा सुरक्षित हैं। यह क्वांटम क्रिप्टोग्राफी का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो प्रकाश के सूक्ष्म कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, के विचित्र व्यवहार का उपयोग करके अटूट कोड बनाने का काम करता है। इस तकनीक के सबसे सरल संस्करण में, पारंपरिक रूप से एलिस और बॉब कहे जाने वाले दो लोग, इन फोटॉन्स को आपस में भेजकर एक गुप्त कुंजी (सीक्रेट की) का आदान-प्रदान करते हैं। यदि कोई तीसरा पक्ष, यानी कोई जासूस, सुनने की कोशिश करता है, तो फोटॉन्स को देखने की क्रिया ही उन्हें बदल देती है, जिससे त्रुटियों का एक स्पष्ट निशान पीछे छूट जाता है जो एलिस और बॉब को घुसपैठ के बारे में सचेत कर देता है। हालाँकि, जैसे-जैसे तेज़ और अधिक सुरक्षित संचार की हमारी आवश्यकता बढ़ रही है, वैज्ञानिक इन बुनियादी तरीकों से आगे देख रहे हैं। वे प्रत्येक कण के साथ अधिक जानकारी भेजने और पृथ्वी पर दो बिंदुओं के बीच मौजूद शोर भरे, अशांत वातावरण के प्रति सिस्टम को अधिक मजबूत बनाने के तरीकों की खोज कर रहे हैं।

हाल ही में एक अध्ययन में, पाकिस्तान के एनईडी इंजीनियरिंग एंड टेक्नोलॉजी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं मुहम्मद कामरान, ताहिर मलिक और मुहम्मद मुबशिर खान ने केएक्सबी10 (KXB10) प्रोटोकॉल नामक एक अधिक उन्नत विधि की जांच की। पुराने सिस्टमों की तरह अपने प्रकाश कणों के लिए केवल दो सेटों का उपयोग करने के बजाय, यह नया दृष्टिकोण सूचना को एनकोड करने के लिए तीन अलग-अलग सेटों, जिन्हें आधार (bases) कहा जाता है, का उपयोग करता है। इसे वास्तविक दुनिया में काम करने के लिए, जहाँ हवा के झोंके प्रकाश को विकृत कर सकते हैं, टीम ने स्थानिक प्रकाश मोड (spatial light modes) नामक एक विशेष प्रकार के प्रकाश का उपयोग किया। आप इन मोड को प्रकाश को विशिष्ट, जटिल पैटर्न में आकार देने के रूप में समझ सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक रिबन को सर्पिल (स्पाइरल) में घुमाना, बजाय इसके कि केवल एक टॉर्च को चालू या बंद किया जाए। ये पैटर्न 'ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम' नामक एक गुण ले जाते हैं, जो प्रकाश को अधिक जानकारी रखने और हवा के उथल-पुथल के बावजूद भी पहचाना जाने योग्य बनाने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं ने दो बिंदुओं के बीच एक पूर्ण संचार लिंक का अनुकरण (सिमुलेशन) किया, जिसमें वायुमंडल के अराजक प्रभाव भी शामिल थे, ताकि यह देखा जा सके कि यह उच्च-आयामी प्रणाली कितनी अच्छी तरह प्रदर्शन करती है।

टीम ने इस प्रणाली का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जिसमें इन जटिल प्रकाश पैटर्न को उत्पन्न करने और पहचानने के लिए आभासी उपकरणों का उपयोग किया गया। उन्होंने हवा के माध्यम से प्रकाश की यात्रा का मॉडल तैयार किया, जिसमें उस प्रकार की अशांति (टर्बुलेंस) को पेश किया गया जो वास्तविक वायुमंडल में होती है, जिससे प्रकाश टिमटिमाता है और बिखर जाता है। उन्होंने संदेश को रोकने की कोशिश करने वाले एक जासूस का भी अनुकरण किया। अपने आभासी सेटअप में, प्रकाश एक ऐसे चैनल के माध्यम से यात्रा करता था जहाँ शोधकर्ता अशांति की तीव्रता और घुसपैछे की उपस्थिति को समायोजित कर सकते थे। लक्ष्य दो विशिष्ट चीजों को मापना था: सिस्टम संदेश पढ़ने में कितनी गलतियाँ करता है, और यह कितनी कुशलता से एक गुप्त कुंजी उत्पन्न कर सकता है। उन्होंने पाया कि जब कोई सुन नहीं रहा होता था, तो सिस्टम एक निश्चित स्तर की दक्षता के साथ काम करता था। हालाँकि, जैसे ही एक जासूस प्रकट हुआ, सिस्टम का व्यवहार एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से बदल गया।

सिमुलेशन के परिणामों ने हमले के तहत सिस्टम के व्यवहार में एक महत्वपूर्ण बदलाव का खुलासा किया। जब जासूस मौजूद था, तो सिस्टम की दक्षता, जो यह मापती है कि प्रेषित जानकारी का कितना हिस्सा सफलतापूर्वक प्राप्त किया जाता है, लगभग 25 प्रतिशत से बढ़कर लगभग 45 प्रतिशत हो गई। हालांकि लेखक अपने सार (एब्स्ट्रैक्ट) में उल्लेख करते हैं कि उच्च-आयामी केएक्सबी10 प्रोटोकॉल दक्षता में महत्वपूर्ण सुधार प्रदान करता है, सिमुलेशन के परिणाम विशेष रूप से सुरक्षित और समझौता की गई अवस्थाओं के बीच दक्षता के इन स्तरों के परिवर्तन को उजागर करते हैं। शोधकर्ताओं ने त्रुटि दर (एरर रेट) को भी ट्रैक किया, जो वह आवृत्ति है जिससे प्राप्त संदेश भेजे गए संदेश से भिन्न होता है। जासूस की उपस्थिति में, यह त्रुटि दर बढ़कर 60 प्रतिशत हो गई। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने सुरक्षा को मापने के एक नए तरीके का परीक्षण किया जिसे 'इंडेक्स ट्रांसमिशन एरर रेट' कहा जाता है। यह मीट्रिक इस बात को देखता है कि प्रकाश का विशिष्ट पैटर्न या "इंडेक्स" कितनी बार गलत पहचाना जाता है। उनके सिमुलेशन में, जब जासूस सक्रिय था, तब यह मान लगभग 47 प्रतिशत तक बढ़ गया।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि सिस्टम के प्रदर्शन का विश्लेषण वायुमंडलीय अशांति के तहत किया गया था, और जासूस की उपस्थिति एक स्पष्ट पदचिह्न छोड़ती है जिसे अनदेखा करना कठिन है। इंडेक्स ट्रांसमिशन एरर रेट में वृद्धि मानक त्रुटि दर के लिए एक शक्तिशाली सुदृढीकरण के रूप में कार्य करती है, जिससे घुसपैछे वाले के लिए अपनी उपस्थिति छिपाना बहुत कठिन हो जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन तीन अलग-अलग प्रकाश पैटर्नों का उपयोग करके, यह प्रणाली उच्च-आयामी केएक्सबी10 प्रोटोकॉल का उपयोग करके सिस्टम दक्षता में महत्वपूर्ण सुधार प्रदर्शित करती है। यह कार्य दर्शाता है कि यह उच्च-आयामी दृष्टिकोण, जो साधारण ऑन-ऑफ संकेतों के बजाय प्रकाश के जटिल आकारों पर निर्भर करता है, खुली हवा में लंबी दूरी के सुरक्षित संचार के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन विशिष्ट त्रुटि पैटर्नों की सावधानीपूर्वक निगरानी करके, एलिस और बॉब इस बात का भरोसा कर सकते हैं कि उनकी गुप्त कुंजी सुरक्षित है, या वे तुरंत प्रसारण को रोक सकते हैं यदि हवा उतनी साफ नहीं है जितनी कि होनी चाहिए।