دانشمندان نه تنها در حال توسعه یک روش امن‌تر برای انتشار داده‌ها هستند، بلکه راه‌هایی را برای دستیابی به این هدف در فواصل طولانی با استفاده از ماهواره‌ها و اصول مکانیک کوانتومی بررسی می‌کنند. این روش بر توزیع کلید کوانتومی متکی است که به عبارت ساده، یک کلید مخفی مشترک را بین دو طرف ایجاد می‌کند تا برای رمزگذاری و رمزگشایی پیام‌ها استفاده شود.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، گروهی از پژوهشگران «مؤسسه علم و فناوری پیشرفته کره جنوبی»(KAIST) به بررسی این موضوع پرداخته‌اند. آنها در مقاله پژوهش خود نوشتند: توزیع کلید کوانتومی نوعی فناوری است که با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، توزیع ایمن یک کلید را بین دو کاربر امکان‌پذیر می‌سازد و ایمنی را در برابر استراق سمع تضمین می‌کند.

پژوهشگران با استفاده از مکانیسم پیچیده نظریه کوانتومی، پارامترهای حیاتی را برای دستگاه‌های انتقال سیگنال شناسایی کردند و اطلاعات ارزشمندی را ارائه دادند که می‌توانند راه را برای پیشرفت‌های بزرگ در ارتباطات کوانتومی هموار کنند.

توزیع کلید کوانتومی به ذرات کوانتومی مانند فوتون‌ها برای انتقال ایمن کلیدهای رمزگذاری متکی است. این کلیدها عملا غیر قابل شکستن هستند، زیرا تلاش برای رهگیری یا استراق سمع، وضعیت آنها را به طور اجتناب ناپذیری تغییر می‌دهد. این پدیده به عنوان «اثر مشاهده‌گر» شناخته می‌شود که براساس آن، صرف مشاهده یک سیستم کوانتومی می‌تواند آن را مختل کند. هر تغییری بلافاصله قابل تشخیص است و هرگونه نفوذ احتمالی را آشکار می‌کند.

اگرچه توزیع کلید کوانتومی، مزایای امنیتی قابل توجهی را ارائه می‌دهد، اما بدون محدودیت نیست. یک چالش مهم، انتقال فوتون‌ها در فواصل طولانی است که در حال حاضر باید از طریق فیبرهای نوری انجام شود. فوتون‌ها فقط پیش از جذب یا پراکنده شدن می‌توانند تا این حد دور بروند. در نتیجه، سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی مبتنی به کاربردهای منطقه‌ای با برد نسبتا کوتاه محدود می‌شوند.

پژوهشگران برای غلبه بر این محدودیت‌ها، توجه خود را در این پژوهش به ماهواره‌ها معطوف کرده‌اند. بر خلاف فیبرهای نوری، فوتون‌ها می‌توانند از خلأ فضا به ایستگاه‌های زمینی بروند تا گیرنده‌های روی زمین آنها را اندازه‌گیری کنند. این کار با حداقل تلفات انجام می‌شود و امکان دستیابی به ارتباطات کوانتومی ایمن را در سراسر قاره‌ها فراهم می‌کند.

فوتون‌های درهم‌تنیده، گروه خاصی از ذرات کوانتومی هستند و توزیع کلید کوانتومی مبتنی بر ماهواره را نوید می‌دهند. این ذرات طوری با یدگیر مرتبط هستند که بدون توجه به فاصله آنها، وضعیت یکی بلافاصله وضعیت دیگری را تعیین می‌کند. این ویژگی به آنها امکان می‌دهد تا به عنوان حامل‌های قابل اعتماد برای کلیدهای رمزگذاری عمل کنند. هنگامی که دو فوتون درهم‌تنیده از یک ماهواره به دو مکان جداگانه روی زمین فرستاده می‌شوند، طرف‌های ارتباطی می‌توانند حالت‌های کوانتومی فوتون‌ها را بررسی کنند و یک کلید را به طور ایمن به اشتراک بگذارند.

با وجود این، دستیابی به توزیع کلید کوانتومی مؤثر با فوتون‌های درهم‌تنیده در فضا، چالش‌های متعددی را به همراه دارد. تولید فوتون‌های درهم‌تنیده در مقادیر کافی به خودی خود دشوار است و تجهیزات مورد نیاز باید فشرده، کم‌مصرف و به اندازه کافی بادوام باشند تا در شرایط ناملایم فضا مقاومت کنند.

با وجود این، یک عمل متعادل‌کننده بین روشنایی و دقت وجود دارد. یک ساطع‌کننده فوتون با روشنایی بالا ممکن است تعداد زیادی فوتون را در یک پالس تولید کند، اما این کار می‌تواند به شکل‌گیری چندین فوتون منجر شود که اطلاعات مشابهی را انتقال می‌دهند. در چنین مواردی، رهگیری و تحلیل فوتون‌ها بدون تغییر وضعیت اطلاعات دریافتی توسط طرفین برای یک استراق سمع آسان‌تر می‌شود.

پژوهشگران با آغاز انتشار فوتون‌های درهم‌تنیده، چگونگی حرکت آنها را در فضا، تعامل با جو و در نهایت رسیدن به آشکارسازهای روی زمین ارزیابی کردند. این ارزیابی شامل بررسی طیف گسترده‌ای از متغیرها شامل شدت نور، جهت‌یابی آشکارسازها و فاصله بین ماهواره و ایستگاه‌های زمینی بود. حرکت ثابت ماهواره نیز به پیچیدگی کار می‌افزاید، زیرا فاصله بین تابش‌گر فوتون و آشکارسازها را در لحظه تغییر می‌دهد و بر کیفیت سیگنال تأثیر می‌گذارد.

پژوهشگران در مقاله پژوهش خود نوشتند: در این مقاله یک مدل تحلیل کلی را ارائه می‌کنیم که در آن دو طرف دریافت‌کننده جفت‌های درهم‌تنیده فوتون، در زاویه متفاوتی هستند.

یافته‌های این پژوهش یک پایه قوی را برای پیشرفت سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی ارائه می‌دهند. گام‌های بعدی شامل رسیدگی به موانع فنی و تلاش در جهت تجاری‌سازی سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی خواهند بود.

این پژوهش در مجله «Advanced Quantum Technologies» به چاپ رسید.