تحقیقات در زمینه انتقال ایمن از طریق ارتباطات کوانتومی سالها در اروپا و همچنین در آسیا و ایالات متحده فعال بوده است. در این کشور تحقیقات در حال افزایش است: در ارتباط با حملات سایبری به بوندستاگ و شبکه داده فدرال در سال 2015 ، صدراعظم و وزارت تحقیقات از آزمایش استاندارد امنیتی کاملاً جدید حمایت می کنند: به عنوان بخشی از پروژه آزمایشی Fraunhofer-Gesellschaft با نام QuNET ، به اصطلاح ارتباطات کوانتومی.
محققان فیزیک کوانتومی پیشرفت های مختلفی را طی چند ماه گذشته انجام داده اند. گوگل توانست برتری کوانتومی به اصطلاح را نشان دهد ، IBM اولین کامپیوتر کوانتومی جهان را معرفی کرد که برای استفاده تجاری مناسب است و محققان از اتریش می خواهند Qutrit را از بین ببرند. برنامه دانشمندان اتریشی: برای پخش اینترنت کوانتومی می توان از ماهواره ها در فضا استفاده کرد.
ارتباط کوانتومی چیست
ارتباط کوانتومی از استراتژی های رمزنگاری ریاضی استفاده نمی کند بلکه از اصل فیزیک کوانتومی است. قوانین اساسی فیزیک کوانتومی برای رمزگذاری داده های منتقل شده در ارتباطات کوانتومی استفاده می شود
اما مشکل محدود کردن دامنه است: انتقال اطلاعات کوانتومی توسط فوتون ها (ذرات سبک) از طریق فیبر نوری منجر به از دست رفتن عملکرد قابل توجه می شود. آنها به یک محدوده بسیار محدود در حدود 100 کیلومتر منتهی می شوند. رله های کوانتومی باید این کار را انجام دهند: این محدودیت ها بدون محدودیت های امنیتی قابل رفع هستند. رئیس جمهور Fraunhofer Reimund Neugebauer مثبت برای dpa گفت: "این فن آوری راه طولانی دارد – به لطف این ، انتقال ماهواره ای ، همانطور که ما در Fraunhofer مطالعه می کنیم ، برای محدوده های مفید در ارتباطات کوانتومی ضروری است".
19659007] در رایانه های کوانتومی ، بلکه در رمزنگاری کوانتومی ، شما به اصطلاح بیت های کوانتومی کار می کنید ، که به صورت مختصر qubits هستند. Kubit به همان روش بیت کلاسیک در رایانه های معمولی کار می کند: این کوچکترین واحد حافظه ممکن اندازه گیری اطلاعات کوانتومی را تعیین می کند. ذرات ماده یا نور حامل qubit فیزیکی را تشکیل می دهند که می تواند دو حالت ممکن داشته باشد.
ما این را از فن آوری دیجیتال معمولی نیز می دانیم: دو برابر ، دو یا دوتایی با صفر و یک ، غالباً با 0 و 1. نمایش داده می شود. حالات همزمان
یک شبکه کوانتومی (werk) ، همچنین به آن یک اینترنت کوانتومی گفته می شود ، ترکیبی از ناقلهای مختلف اطلاعات کوانتومی است که به آنها "گره های کوانتومی" گفته می شود. "آنها به اصطلاح کانالهای کوانتومی گفته می شوند.
انتقال ایمن از طریق رمزنگاری کوانتومی
ارتباطات ایمن: این یکی از اهداف اصلی رمزنگاری کوانتومی است. فوتون های درهم تنیده به عنوان حامل های اطلاعاتی نیز این امکان را فراهم می کنند – اما اکنون هنوز مشکل محدودیت دامنه ای که در بالا ذکر شد ، وجود دارد که با تقویت کننده های مناسب سعی در افزایش آنها وجود دارد.
ممکن است هنگام خواندن بند قبلی واژه "درهم" را پیدا کرده باشید – این ویژگی در واقع قلب رمزگذاری کوانتومی است. این اصطلاح پدیده ای در فیزیک کوانتومی را توصیف می کند: دو ذره کوانتومی به طور همزمان تولید می شوند ، یعنی فوتون ها ، حالت کوانتومی مشترک ("وجود") دارند ، اگرچه این دو فاصله آنها را از هم جدا می کند.
تصور کردن دشوار است ، اما از نظر علمی اثبات شده است: اندازه گیری هایی که فقط روی یکی از این ذرات انجام می شود ، بلافاصله بر نتایج اندازه گیری ذرات دیگر نیز تأثیر می گذارند. اگر اکنون این فوتون ها به مکان های مختلف ارسال شده اند ، می توانید از اتصال هایی برای اتصال ایمن برای ارسال پیام استفاده کنید. فوتون ها کلیدهای رمزگذاری و رمزگشایی را رمزگذاری می کنند. گرفتاری کمک می کند تا تعیین کند که کلید توسط اشخاص ثالث غیر مجاز ثبت شده است یا خیر ، بنابراین پیام رمزگشایی شد: اگر کسی سعی کرد اطلاعات را از ذرات سبک بخواند ، ذرات بلافاصله حالت فیزیکی کوانتومی خود را تغییر می دهند. بنابراین ، تلاشهای استراق سمع به طور مستقیم دیده می شود.
چالش شبکه کوانتومی
قلب ارتباطات کوانتومی ، گرفتاری ، شکننده است – یکی از بزرگترین چالش های امروز دانشمندان مختلف. زیرا: هر تعامل کوچک یک فوتون با محیط باعث قطع شدن ارتباط با فوتون دیگر می شود. اگر فیزیکدانان اکنون فوتون های گرفتار شده را از طریق جو و یا از طریق فایبرگلاس از طریق ماهواره بفرستند ، دقیقاً این وقفه ناخواسته را ارائه می دهند: ذرات سبک با اتمهای موجود در جو یا فایبرگلاس ارتباط برقرار می کنند و از این طریق گرفتگی را از بین می برند. آیا بازهم می توانید یک اینترنت کوانتومی جهانی بسازید؟
آمپلی فایرهای کوانتومی ، که همچنین برای افزایش دامنه مورد استفاده قرار می گیرند ، می توانند حتی کارهای بیشتری انجام دهند. دستگاه ها می توانند در هنگام ورود ، خواص کوانتومی فوتون ها را اندازه گیری کنند. خصوصیات را می توان به فوتون های جدید منتقل کرد تا بتوان آنها را منتقل کرد. به این ترتیب ، گرفتاری حفظ می شود – می توان گفت که از یک تقویت کننده به دیگری پرش می کند. این فناوری هنوز بسیار آزمایشی است ، بنابراین ممکن است چندین سال طول بکشد تا امکان استفاده تجاری فراهم شود.
با این وجود ، تولید جفت فوتون درهم تنیده در فضای بیرونی نیز ممکن است. سپس می توان آنها را به دو ایستگاه پایه مختلف در زمین فرستاد. اگر ماهواره مناسب به اندازه کافی بالاتر از افق باشد ، فوتون های درهم تنیده فقط باید در جو حدود 20 کیلومتر طی کنند. بنابراین ایستگاه های پایه به هم متصل می شوند و می توانند پیام های رمزگذاری شده کاملی را تبادل کنند. ماهواره چینی Micius نشان داده است که این اصل برای اولین بار در سال 2017 کار می کند.
برخی از محققان برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی جهانی به فکر صور فلکی با ماهواره های مشابه هستند. برای اطمینان از برقراری ارتباط ایمن بین دو ایستگاه زمینی ، مهم است که هر دو بتوانند همزمان یک ماهواره را به منظور دریافت دو فوتون درهم تنیده شناسایی کنند. ماهواره ها بسیار گران هستند ، به همین دلیل دانشمندان می خواهند تا آنجا که ممکن است ماهواره های کمتری داشته باشند ، اما در حد ضرورت ، برای اطمینان از پوشش جهانی و بهره برداری مداوم از شبکه.
همچنین یک مرحله مهم این است که تیم تحقیقاتی پیرامون فیزیکدانان TU مونیخ موفق شدند: آنها بطور آزمایشی ارتباط کوانتومی ایمن را در محدوده مایکروویو در یک شبکه کوانتومی محلی با استفاده از یک کابل ابررسانا با فاصله 35 سانتی متر اجرا کردند. اول از همه ، دانشمندان ابتدا باید ثابت كنند كه اشعه مایکروویو دارای خواص مکانیكی كوانتومی است – مسیری طولانی و از لحاظ فنی بسیار دشوار. مسلماً ، فاصله 35 سانتی متر و آزمایش در دماهای نزدیک به صفر مطلق هنوز کاملاً آزمایشی به نظر می رسد. با این حال ، دانشمندان TUM همچنین می توانند مسافت های بیشتری را تصور کنند. رودولف گروس ، فیزیکدان TUM می گوید ، گسترش در مسافت هفت متری در حال انجام است ، بنابراین "شبکه ای از کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا در دسترس است."
ارتباطات کوانتومی: چشم انداز آینده اینترنت کوانتومی در حال نزدیک شدن است
در زیر نمونه هایی از نتایج تحقیقات مثبت را نشان می دهیم: در واقع پیشرفت هایی در ارتباطات کوانتومی وجود دارد که به تدریج به هدف ایجاد یک اینترنت جامع کوانتومی می پردازند.
BMBF بودجه لازم را برای ابتکار عمل "QuNET" فراهم می کند
علاوه بر اسرار اقتصادی ، دولت فدرال همچنین در تلاش است تا اطلاعات محرمانه را از هکرها محافظت کند. برای این منظور ، این پروژه آزمایشی Fraunhofer-Gesellschaft را پشتیبانی می کند ، که از فیزیک کوانتومی استفاده می کند. وزارت آموزش و تحقیقات فدرال (BMBF) همچنین می خواهد تحقیقات و توسعه شبکه کوانتومی را تسریع کند و 165 میلیون یورو به این پروژه کمک می کند. در سه مرحله ، این وجوه به مدت هفت سال در دسترس خواهد بود. وزیر تحقیق فدرال ، آنا کارلیزک: "در عصر دیجیتال ، تجارت و جامعه بیش از هر زمان دیگری به ارتباطات امن وابسته هستند. خطوط داده ایمن زندگی اصلی عصر ما هستند. بنابراین ، تبادل داده باید تا حد امکان ایمن باشد. ارتباطات کوانتومی فرصتهای منحصر به فردی را ارائه می دهد. […] با تشکر از ابتکار عمل ›QuNET، ، بهترین تحقیق و شرکت های آلمانی با هم پایه و اساس ارتباطات امن آینده را تشکیل می دهند. من از شرکت کنندگان این پروژه بی نظیر بخاطر تعهد خود در این زمینه آینده تشکر می کنم. "
اینترنت کوانتومی از طریق ماهواره
مروری بر فناوری در مقاله" اینترنت کوانتومی از فضا "توضیح می دهد که چگونه محققان Sumeet Khatri از دانشگاه ایالتی لوئیزیانا تحقیق می کنند: شما می خواهید شبکه ای حداقل 400 ماهواره کوانتومی بفرستید. به طور مداوم جفت فوتون را برای ایستگاه های پایه درگیر می کند. از این رو ایستگاه ها همانطور که در جزئیات بیشتر در بالا توضیح داده شده به هم وصل می شوند. پیام هایی با رمزگذاری کامل نزدیکتر می شوند. با این حال ، دانشمندان هنوز کار خود را به پایان نرسانده اند: در مدل سازی آشکار شده است که باید معاملات مختلفی در نظر گرفته شود. به عنوان مثال ، در صورت مدار در ارتفاعات بالاتر ، کمتر ماهواره می تواند پوشش جهانی را فراهم کند. با این حال ، چنین موقعیت های مرتفع منجر به از دست دادن فوتون می شود. خاتری و تیم تحقیقاتی وی پیشنهاد می کنند 400 ماهواره در ارتفاعی حدود 3000 کیلومتر پرواز کنند. با این حال ، حتی با این روش ، حداکثر فاصله بین ایستگاههای پایه مختلف تا 7500 کیلومتر محدود است.
رمزگذاری پهپاد کوانتومی
تحقیقات در چین انجام شده است که آیا هواپیماهای بدون سرنشین می توانند پاسخ یک معما باشند: آیا می توان از آنها برای انتقال رمزگذاری کوانتومی استفاده کرد؟ به لطف فناوری لیزر ، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه نانجینگ در چین موفق به پنهان کردن فناوری لازم در هواپیماهای بدون سرنشین شد. این امر هواپیماهای بدون سرنشین سبک را با وزن کمتر از چهار کیلوگرم ایجاد می کند.
دانشمندان از هواپیماهای بدون سرنشین تجاری برای حفظ ارتباط کوانتومی بین دو ایستگاه پایه به مدت 40 دقیقه استفاده کردند. به این ترتیب ، 2.4 میلیون کوانتوم گرفتار در هر ثانیه ارسال شد. اگرچه ایستگاه های پایه فقط 200 متر از هم فاصله داشتند ، اما این روش عملی به نظر می رسید: هوای بد روی آزمایش تأثیر نمی گذارد
فوتون ها را می توان با استفاده از لیزر کمکی و یک آینه متحرک به گیرنده هدایت کرد. به گفته محققان ، این سیستم برای اتصالات بیش از 300 کیلومتر مناسب است – به شرطی که هواپیماهای بدون سرنشین به اندازه کافی پرواز کنند.
رکورد حافظه کوانتومی
پورتال "طبیعت" در مورد کار یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی دانشگاه علم و فناوری چین جیان وی پان پن در در چین اطلاع می دهد: دو خاطره کوانتومی در فاصله 50 کیلومتری برای تشکیل یک سیستم درهم وصل شده اند. رکورد قبلی را 40 بار می شکند! رکورد فاصله قبلی برای دو حافظه کوانتومی درهم تنیده تنها 1.3 کیلومتر بود
حافظه ها اتم های عنصر روبییدیوم هستند. اتصال دو اتم چنین در حالت کم انرژی با فوتونهای کوانتومی درهم تنیده یک سیستم کوانتومی مشترک را تشکیل می دهد. وقتی مجبور هستید مسافت های طولانی را طی کنید ، مشکل پیچیده می شود: اگر فوتون ها مجبور به مسافرت به دور باشند ، احتمال آسیب سیستم افزایش می یابد.
ارتباط کوانتومی از طریق کابل زیردریایی
همچنین تحقیق در اتریش انجام می شود. به طور دقیق تر ، سورن ونگروفسکی و همکارانش تحقیق در موسسه نوری کوانتومی و اطلاعات کوانتومی در وین انجام می دهند. این تیم از دانشمندان توانستند با استفاده از کابل معمولی زیر دریایی ، پیام رمزگذاری شده کوانتومی ارسال کنند. همانطور که در بالا ذکر شد ، کابل های فیبر نوری از این نوع ضعف دارند: با افزایش فاصله ، قدرت سیگنال های نوری کاهش می یابد و فوتون های گرفتار شده نیز از بین می روند. ونگروفسکی: "بزرگترین مشکل حساسیت به تأثیرات محیطی مانند حرکت یا تغییر دما در طول خط است."
اول ، تیم تحقیقاتی جفت فوتون قطبی سازی را ایجاد می کند (تغییرات ناشی از اندازه گیری لرزش باعث می شود تغییرات مشابه در شریک زندگی درهم تنیده) با هم مرتبط باشند. به عنوان بخشی از آزمایش ، دانشمندان قطبش فوتون را مستقیماً در محل اندازه گیری کردند. آنها این شریک زندگی را از طریق یک کابل زیردریایی از مالت به سیسیل و برگشت فرستادند.
فاصله در کل 192 کیلومتر اندازه گیری شد – و تلاش موفقیت آمیز بود: حتی در این فاصله ارتباطات کوانتومی باقی ماند. اتریشی ها نیز رکورد جدیدی را تعیین کردند. سرعت انتقال فقط 4 bps برای مطلوب باقی مانده است ، اما قابلیت اطمینان سیگنال 85 درصد بود. ونگروفسکی توضیح می دهد: "بیش از شش ساعت نشان می دهیم که بدون ایجاد ثبات بیشتر می توانیم اتصال را در مسافت های طولانی حفظ کنیم."
