سرعات نقل غير مسبوقة – العلماء يطورون نظام توزيع مفاتيح كمومية جديد
طور الباحثون نظام توزيع مفاتيح كمومية (QKD) يعتمد على فوتونات السيليكون التي يمكنها نقل مفاتيح آمنة بسرعات غير مسبوقة.
يجمع جهاز الإرسال QKD (في الصورة) بين دائرة متكاملة ضوئية وكهربائية مع ليزر ديود خارجي. الائتمان: ريبيكا ساكس، جامعة جنيف
يمهد نظام توزيع المفاتيح الكمومية المتكامل القائم على الضوئيات الطريق لنشر الشبكة.
ابتكر العلماء نظام توزيع المفتاح الكمي (QKD) المتجذر في الضوئيات المتكاملة، مما يسمح بمفاتيح النقل الآمنة بسرعات غير مسبوقة.
تعمل تجارب إثبات المفهوم الأولية هذه كخطوة مهمة نحو النشر العملي لتقنية الاتصال عالية الأمان هذه.
QKD، وهي تقنية مجربة لإنشاء مفاتيح سرية للاتصالات المحمية بين الكيانات البعيدة، تستفيد من السمات الكمومية للضوء لإنشاء مفاتيح عشوائية آمنة.
تُستخدم هذه المفاتيح لتشفير البيانات وفك تشفيرها. على عكس بروتوكولات الاتصال الحالية التي تعتمد على التعقيد الحسابي للأمان، فإن أمن QKD مبني على مبادئ الفيزياء.
قالت عضو فريق البحث ريبيكا ساكس من جامعة جنيف في سويسرا: “يتمثل الهدف الرئيسي لتكنولوجيا QKD في القدرة على دمجها ببساطة في شبكة اتصالات في العالم الحقيقي”.
“خطوة مهمة وضرورية نحو هذا الهدف هي استخدام الضوئيات المتكاملة، والتي تسمح بتصنيع الأنظمة الضوئية باستخدام نفس تقنية أشباه الموصلات المستخدمة في صناعة رقائق الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون.”
يتكون مستقبل QKD القائم على السيليكا الموضح من دائرة متكاملة ضوئية وكاشفين خارجيين للفوتون الفردي. الائتمان: Simone Atzeni ، CNR-IFN
في مجلة مجموعة Optica Publishing Group Photonics Research ، وصف الباحثون بقيادة هوغو زبيندين من جامعة جنيف نظام QKD الجديد، حيث يتم دمج جميع المكونات في رقائق باستثناء الليزر وأجهزة الكشف.
يأتي هذا مع العديد من المزايا مثل الاكتناز، والتكلفة المنخفضة، وسهولة الإنتاج الضخم.
قال ساكس: “على الرغم من أن QKD يمكن أن توفر الأمان للتطبيقات الحساسة مثل الخدمات المصرفية والصحة والدفاع، إلا أنها ليست تقنية منتشرة على نطاق واسع”.
“يبرر هذا العمل النضج التكنولوجي ويساعد في معالجة الجوانب الفنية حول تنفيذها عبر الدوائر الضوئية المتكاملة، مما يسمح بالتكامل في الشبكات وفي التطبيقات الأخرى.”
بناء نظام أسرع يعتمد على الرقائق
في العمل السابق، طور الباحثون بروتوكول QKD ثلاثي الحالات الذي تم تنفيذه باستخدام مكونات قياسية قائمة على الألياف لتحقيق نقل QKD بسرعات عالية قياسية.
قال ساكس: “كان هدفنا في هذا العمل الجديد هو تنفيذ نفس البروتوكول باستخدام الضوئيات المتكاملة”.
“إن الاكتناز والقوة وسهولة التلاعب في نظام ضوئي متكامل – مع عدد أقل من المكونات للتحقق منها عند التنفيذ أو استكشاف الأخطاء وإصلاحها في الشبكة – يحسن موقع QKD كتقنية للاتصال الآمن.”
تستخدم أنظمة QKD جهاز إرسال لإرسال الفوتونات المشفرة وجهاز استقبال لاكتشافها. في العمل الجديد، تعاون باحثو جامعة جنيف مع شركة السيليكون الضوئية Sicoya GmbH في برلين، ألمانيا، وشركة الأمن السيبراني الكمومي ID Quantique في جنيف لتطوير جهاز إرسال ضوئي من السيليكون يجمع بين دائرة متكاملة ضوئية مع ليزر ديود خارجي.
كان مستقبل QKD مصنوعًا من السيليكا ويتألف من دائرة متكاملة ضوئية وكاشفين خارجيين للفوتون الأحادي.
استخدمت مجموعة روبرتو أوسيلام في معهد CNR للضوئيات وتقنية النانو في ميلانو بإيطاليا، تقنية ليزر الفيمتوثانية الدقيقة لتصنيع جهاز الاستقبال.
قال ساكس: “بالنسبة لجهاز الإرسال، فإن استخدام ليزر خارجي بدائرة متكاملة ضوئية وإلكترونية جعل من الممكن إنتاج وترميز الفوتونات بدقة بسرعة قياسية تصل إلى 2.5 جيجا هرتز”.
“بالنسبة للمستقبل، سمحت دائرة ضوئية متكاملة منخفضة الفقد ومستقلة عن الاستقطاب ومجموعة من الكاشفات الخارجية بالكشف السلبي والبسيط للفوتونات المرسلة.
وقد أتاح توصيل هذين المكونين بألياف قياسية أحادية الوضع إنتاج مفاتيح سرية بسرعة عالية “.
انتقال منخفض السرعة وعالي السرعة
بعد التوصيف الدقيق لجهاز الإرسال والاستقبال المتكامل، استخدمه الباحثون لإجراء تبادل مفاتيح سري باستخدام مسافات مختلفة من الألياف المحاكية وبألياف أحادية الوضع بطول 150 كيلومترًا وثنائيات ضوئية أحادية الفوتون، وهي مناسبة تمامًا للتطبيقات العملية.
كما أجروا تجارب باستخدام كاشفات أسلاك متناهية الصغر أحادية الفوتون فائقة التوصيل، مما أتاح معدل خطأ في البت الكمي يصل إلى 0.8٪.
لم يتميز جهاز الاستقبال فقط باستقلال الاستقطاب، وهو أمر معقد لتحقيقه باستخدام الضوئيات المتكاملة، ولكنه قدم أيضًا خسارة منخفضة للغاية، حوالي 3 ديسيبل.
قال ساكس: “فيما يتعلق بإنتاج معدل المفتاح السري ومعدلات خطأ البت الكمي، أنتجت هذه التجارب الجديدة نتائج مشابهة لتلك الخاصة بالتجارب السابقة التي أجريت باستخدام المكونات القائمة على الألياف”.
“ومع ذلك، فإن نظام QKD أبسط وأكثر عملية من الإعدادات التجريبية السابقة، وبالتالي يعرض جدوى استخدام هذا البروتوكول مع الدوائر المتكاملة.”
يعمل الباحثون الآن على إيواء أجزاء النظام في حاوية رف بسيطة تسمح بتنفيذ QKD في نظام شبكة.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
