اخبار مربوط به ارتباطات کوانتومی از راه دورِ موفقیت آمیز نشانه ای است که ما در حال حاضر در عصر جدیدی از امنیت ارتباطات زندگی می کنیم.از زمانی که گرافن برای اولین بار در سال 2004 جدا شد، تحقیقات برای ایجاد سایر مواد دو بعدی های بدون کربن گسترش یافته است. در حال حاضر تعداد زیادی از آنها وجود دارد، و از آنها استقبال می شود تا جایی که اکنون گرافن کمتر مناسب است، مانند ترانزیستورهای جدید و دستگاه های نوری - الکترونیکی نسل بعدی، که نور را تولید می کنند، تشخیص می دهند و کنترل می کنند.
مطالعه اخیر ما بر روی شکل جدیدی از ماده دو بعدی دی سولفید تنگستن (WS2) ، که هم دو بعدی و هم سه بعدی است، متمرکز شده است. WS2 یک نیمه هادی است - همچون سیلیکون، که تقریباً در همه دستگاه های الکترونیکی یافت می شود. با این حال، بر خلاف سیلیکون ، WS2 می تواند به صورت پایدار دو بعدی وجود داشته باشد. ما ماده WS2 را به روش جدیدی برای خلق چیدمان سه بعدی از ورقه های دو بعدی مرتب کردیم که آن را نانومِش می نامیم.
نانومِش WS2 فرکانس را دو برابر کرده و طول موج نور لیزر را به نصف می رساند – و رنگ آن را در این حالت تغییر می دهد - و در این حال کارایی بالایی دارد. این بدان معناست که می تواند در مؤلفه های ارتباطات کوانتومی با استفاده از نور مفید باشد، جایی که تلاش برای "استراق سمع" پیام ها همیشه قابل تشخیص است. نور در ارتباطات کوانتومی اهمیت دارد زیرا از ذرات نور، به نام فوتون، می توان برای حمل اطلاعات استفاده کرد. هنگامی که دو فوتون چیزی تحت عنوان درهم تنیدگی کوانتومی را تجربه می کنند، هر اتفاقی که برای یکی از آنها بیفتد، بدون در نظر گرفتن فاصله آنها، بلافاصله در دیگری قابل مشاهده است.
پیوندهای ایمن از راه دور مانند این، پایه اینترنت کوانتومی، شبکه جهانی آینده با امنیت اضافی است که از قوانین مکانیک کوانتومی پشتیبانی می کند و همراه با روش های رمزنگاری کلاسیک بی نظیری است.ارتباطات کوانتومی این پتانسیل را دارد که ارتباطی واقعاً ایمن را در سراسر جهان ارائه دهد. با استفاده از ویژگی عجیب درهم تنیدگی، می توان یک سیستم را مهندسی کرد تا وقتی سیگنالی قطع می شود، فرستنده بلافاصله بفهمد.
بسیاری از تلاش هایی که تاکنون برای ایجاد ارتباطات کوانتومی انجام شده است، با استفاده از نور لیزر بوده است. اما برای انجام این کار ما نیاز به یک روش کارآمد برای کنترل نور داریم. این کار به طور بالقوه می تواند با مواد دو بعدی انجام شود.
تصویر: یک صفحه مدار با نورهایی که از آن بیرون می آید. ارتباطات کوانتومی در برابر هکرها ایمن خواهد بود. Shutterstock / Untitled Title
هیچ یک از ارتباطات از طریق میسیوس انجام نشد. این ماهواره فوتون های درهم تنیده را به عنوان منبعی مناسب برای رمزنگاری کوانتومی ارائه کرد و سپس دو ایستگاه زمینی از آنها بر اساس پروتکل مورد توافق خود استفاده کردند. در مواد دو بعدی، الکترون ها می توانند در دو بعد حرکت کنند اما حرکت آنها در بعد سوم محدود است. این محدودیت به مواد دو بعدی خواص جالبی می بخشد، به این معنی که آنها به عنوان دستگاه های بسیار نازک برای فناوری اطلاعات، ارتباطات، حس، انرژی، تصویر برداری و محاسبات کوانتومی نوید بخش هستند. برای بسیاری از این کاربردها، مواد دو بعدی، که فقط یک اتم ضخامت دارند، روی یک سطح نگهدارنده صاف قرار دارند.
متأسفانه، اما قدرت این مواد - که بسیار نازک هستند - نیز بزرگ ترین نقطه ضعف آنها است. این بدان معناست که وقتی آنها روشن می شوند، نور مرئی می تواند تنها در ضخامت کمی با آنها تعامل داشته باشد و اثر حاصله ضعیف باشد. برای غلبه بر این نقص، محققانی مانند من شروع به جستجوی راه های جدیدی برای بسته بندی مواد دو بعدی در ساختارهای پیچیده سه بعدی کرده اند.
نانومش
من و دانشجوی دکترای من یک شبکه سه بعدی بافته شده از پشته های متراکم و توزیع شده تصادفی ایجاد کردیم که حاوی ورق های دوبعدی چرخانده و ادغام شده به نام نانومش بود. ویژگی های منحصر به فرد آن نتیجه فرایند سنتز خاصی است که توسعه داده ایم. ما با رشد نانولوله های یک بعدی (ورق های رول شده) از WS2، شبیه یک داربست، کار خود را آغاز کردیم. این ها به طور طبیعی با موادی پر شده اند که ورق های WS2 می توانند در انتهای نانولوله و در طرفین آنها رشد کنند، بر روی یکدیگر بچرخند و مانند یک فن به کار گرفته شوند. سپس این ورق ها با یکدیگر ادغام می شوند تا ورق های دو بعدی بزرگ تری را ایجاد می کنند که در حالت سه بعدی برای ایجاد نانومش تلاقی می کنند.رمزگذاری کوانتومی متکی بر ذرات درهم تنیده نور است. در داخل یک نیمه هادی نوارهای انرژی وجود دارد که با گپ انرژی از هم جدا شده اند. فقط نوری با انرژی بزرگ تر از گپ انرژی می تواند با مواد به نحو مفیدی تعامل داشته باشد. اگر سطوح انرژی جدیدی در این گپ انرژی وارد شود، دو برابر شدن فرکانس نوری که از مواد عبور می کند بسیار کارآمدتر است و می تواند در طیف وسیع تری از طول موج ها صورت گیرد. این دقیقاً همان چیزی است که نانومش ما به آن دست می یابد، چشم انداز انرژی - نوارهای انرژی، گپ های انرژی و سطوح انرژی در داخل شکاف – از مواد را تغییر می دهد.
اندازه گیری های همکارانم در گروه فوتونیک نشان داد که مواد نانومش در واقع یک رنگ لیزری را به طور مؤثری به طیف وسیعی از رنگ ها تبدیل می کنند. در مقایسه با لایه های مسطح WS2، این نانومش بسیار کارآمد است و به طیف وسیعی از طول موج های نور پاسخ می دهد، و در عین حال با دوام است و می تواند در مناطق وسیعی رشد کند.
مطالعه ما اثبات می کند که جمع آوری مواد دو بعدی در آرایش سه بعدی فقط منجر به مواد دو بعدی ضخیم تری نمی شود که نور با آنها قوی تر تعامل می کند - بلکه موادی با خواص کاملاً جدید تولید می کند.
نانومش هایی که ساخته ایم از نظر فناوری، برای تولید بزرگ مقیاس، ساده هستند و تعامل با نور قابل تنظیم را ارائه می دهند. این ماده می تواند، به عنوان مثال با استفاده از نانوذرات فلزی کوچک یا رسوب مواد دوم، بیشتر تکامل یابد. چنین دورگه هایی روش های اضافی را برای تغییر نور لیزری که از آنها عبور می کند، ارائه می دهند.
این ماهواره به عنوان منبع دو جفت فوتون درهم تنیده، یعنی ذرات نوری دوقلو که خواص آنها هر چقدر هم از هم دور باشند در هم تنیده باقی می مانند، عمل می کند. اگر یکی از فوتون ها را دستکاری کنید، دیگری نیز در همان لحظه تحت تأثیر قرار می گیرد.هدف بعدی ما این است که نانومش را در دستگاه هایی که نور را منتقل و اصلاح می کنند و می توانند با میکروالکترونیک سنتی ادغام شوند، ترکیب کنیم. این راهی برای توسعه ارتباطات نوری کوانتومی عملی است.
اولین ماهواره ارتباطی کوانتومی جهان
ماهواره میسیوس Micius))، در نیمه شب ، که برای هر کس غیر از تلسکوپ های خاص در دو رصد خانه چینی نامرئی است، ذرات نور را به زمین می فرستد تا ایمن ترین حلقه ارتباطی جهان را ایجاد کند. میسیوس که به افتخار فیلسوف باستانی چینی معروف به موزی (Mozi) نام گذاری شده است، اولین ماهواره ارتباطی کوانتومی جهان است و چندین سال است که در خط مقدم رمز گذاری کوانتومی قرار دارد. اکنون دانشمندان از این فناوری برای دستیابی به یک نقطه عطف مهم استفاده کرده اند: ارتباطات ایمن در فاصله دور که می توانید حتی بدون اعتماد به ماهواره ای که ارتباطات از طریق آن عبور می کند، به آن اعتماد کنید.
اگر از یکی از ذرات درهم تنیده برای ایجاد کلید رمزگذاری پیام ها استفاده می کنید، فقط شخصِ همراه با ذره دیگر می تواند آنها را رمزگشایی کند.میسیوس که در سال 2016 راه اندازی شد، پیش از این موفقیت های زیادی را تحت تیم عملیاتی خود به رهبری Pan Jian-Wei ، "پدر کوانتوم" چین، به بار آورده است. این ماهواره به عنوان منبع دو جفت فوتون درهم تنیده، یعنی ذرات نوری دوقلو که خواص آنها هر چقدر هم از هم دور باشند در هم تنیده باقی می مانند، عمل می کند. اگر یکی از فوتون ها را دستکاری کنید، دیگری نیز در همان لحظه تحت تأثیر قرار می گیرد.
این ویژگی است که در قلب امن ترین اشکال رمزنگاری کوانتومی، توزیع کلیدهای کوانتومی مبتنی بر درهم تنیدگی، قرار دارد. اگر از یکی از ذرات درهم تنیده برای ایجاد کلید رمزگذاری پیام ها استفاده می کنید، فقط شخصِ همراه با ذره دیگر می تواند آنها را رمزگشایی کند.
میسیوس قبلاً فوتون های درهم تنیده ای تولید کرده و آنها را به دو ایستگاه زمینی (رصدخانه) که به فاصله 1200 کیلومتر از هم قرار دارند از طریق تلسکوپ های ویژه ای تحویل داده است. دانشمندان نشان دادند که فوتون ها به همان در هم تنیدگی که در مدار بوده اند به زمین می رسند.
سپس، در سال 2017، میسیوس برای توزیع کلیدهای رمزنگاری کوانتومی در ایستگاه های زمینی نزدیک وین و پکن مورد استفاده قرار گرفت و امکان ملاقات ایمن مجازی بین آکادمی های علمی اتریش و چین را با فاصله 7400 کیلومتری فراهم کرد.
هیچ یک از ارتباطات از طریق میسیوس انجام نشد. میسیوس تنها کلیدهای رمزگذاری را تولید و توزیع می کرد. اما هر دو ایستگاه زمینی باید با میسیوس به عنوان بخشی از سیستم های ارتباطی خود صحبت کرده و به آن اعتماد می کردند و قبل از ایجاد ارتباط با یکدیگر از آن به عنوان یک رله استفاده می نمودند.
هدف بعدی ما این است که نانومش را در دستگاه هایی که نور را منتقل و اصلاح می کنند و می توانند با میکروالکترونیک سنتی ادغام شوند، ترکیب کنیم. این راهی برای توسعه ارتباطات نوری کوانتومی عملی است.
تصویر: رمزگذاری کوانتومی متکی بر ذرات درهم تنیده نور است. یوریک پیتر / شاتر استوک
اندازه گیری های همکارانم در گروه فوتونیک نشان داد که مواد نانومش در واقع یک رنگ لیزری را به طور مؤثری به طیف وسیعی از رنگ ها تبدیل می کنند. در مقایسه با لایه های مسطح WS2، این نانومش بسیار کارآمد است و به طیف وسیعی از طول موج های نور پاسخ می دهد.مقاله جدیدی از آزمایشگاه Pan Jia-Wei که در Nature منتشر شده نشان می دهد که میسیوس دوباره با موفقیت رمزنگاری کوانتومی مبتنی بر درهم تنیدگی را به ایستگاه های اصلی زمینی خود با فاصله 1200 کیلومتری رسانده است. اما این بار ماهواره جریان همزمان فوتون های درهم تنیده را به ایستگاه های زمینی ارسال کرد تا ارتباط مستقیمی بین این دو ایجاد شود.
این امر بدون نیاز به اعتماد به ماهواره، به آنها حفاظت رمزنگاری قوی و نشکن می دهد. تا به حال، این کار هرگز از طریق ماهواره یا در چنین فاصله های وسیعی انجام نشده بود.
مجدداً، هیچ یک از ارتباطات از طریق میسیوس انجام نشد. این ماهواره فوتون های درهم تنیده را به عنوان منبعی مناسب برای رمزنگاری کوانتومی ارائه کرد و سپس دو ایستگاه زمینی از آنها بر اساس پروتکل مورد توافق خود استفاده کردند. این همچنین شامل طراحی ماشین آلات برای توزیع کلیدها و مکانیزمی برای جلوگیری از حملات مخرب مانند کورکردن تلسکوپ ها با سیگنال های نوری دیگر بود.
مقاله جدید نحوه انتقال پیام ها در این مورد را مشخص نکرده است، اما از نظر تئوری می توان آن را با فیبر نوری، ماهواره ارتباطی دیگر، رادیو یا هر روش دیگری که آنها بر آن توافق کنند، انجام داد.
جمع آوری مواد دو بعدی در آرایش سه بعدی فقط منجر به مواد دو بعدی ضخیم تری نمی شود که نور با آنها قوی تر تعامل می کند - بلکه موادی با خواص کاملاً جدید تولید می کند.
مسابقه کوانتومی
پیوندهای ایمن از راه دور مانند این، پایه اینترنت کوانتومی، شبکه جهانی آینده با امنیت اضافی است که از قوانین مکانیک کوانتومی پشتیبانی می کند و همراه با روش های رمزنگاری کلاسیک بی نظیری است.پرتاب میسیوس و رکوردهایی که دانشمندان و مهندسان در ساخت سیستم های ارتباطی کوانتومی با کمک آن به دست آورده اند، با تأثیری که اسپوتنیک بر مسابقه فضایی در قرن 20 داشته است مقایسه شده است. به طور مشابه، نژاد کوانتومی دارای پیامدهای سیاسی و نظامی است که نادیده گرفتن آنها دشوار است.
پان جیان وی افشای ادوارد اسنودن در زمینه نظارت بر اینترنت در سال 2013 توسط دولت های غربی را عامل محرک چین دانست تا تحقیقات رمزنگاری کوانتومی را برای ایجاد وسایل ارتباطی امن تر تقویت کند. در نتیجه، میسیوس به عنوان فوق پارانوئید اسپوتنیک لقب گرفته است.
هر کشوری از نظر تئوری می تواند به میسیوس اعتماد کند تا فوتون های درهم تنیده را برای ایمن سازی ارتباطات خود فراهم کند. اما ماهواره یک منبع استراتژیک است که احتمالاً سایر کشورها مایل به تکرار آن هستند، همان طور که اروپا، روسیه و چین اکنون نسخه های خود را از GPS که تحت کنترل ایالات متحده است دارند. با این حال، اخبار مربوط به ارتباطات کوانتومی از راه دورِ موفقیت آمیز نشانه ای است که ما در حال حاضر در عصر جدیدی از امنیت ارتباطات زندگی می کنیم.
گرافن ماده ای است که از اتم های کربن به ضخامت فقط یک لایه ساخته شده است و در ساختار لانه زنبوری چیده شده است. از این ماده برای استحکام بیشتر مواد، ایجاد اجزای فرکانس فوق العاده بالا برای ارتباطات، افزایش عملکرد باتری و حتی برای آزمایش کووید -19 استفاده شده است.
منبع:
آدلینا ایلی، University of Bath، هارون شیلک، Trinity College Dublin
