تقنية الاستشعار الكمومي تعزز خصوصية البيانات ودقتها

إن الاستشعار عن بعد – فئة واسعة بما يكفي لتشمل كل من الشاشات الطبية الشخصية والتنبؤ بالطقس الفضائي – تستعد للترقية الكمومية ، مثل الحوسبة والتشفير قبل ذلك. تم اقتراح واختبار نوع جديد من المستشعر الكمومي الذي يعد بحساسية أعلى وأمان أكبر في شكل إثبات المفهوم. ما يبقى أن نرى هو مدى اعتمادها على نطاق واسع ، وما إذا كانت هذه التحسينات الكمومية قد تجعل في نهاية المطاف لتقنية طبية وفضائية أفضل.

يقول جاكوب دنينغهام ، أستاذ الفيزياء في جامعة ساسكس في المملكة المتحدة: “يخططنا يهون تقنيتين كميتين مختلفتين”. إنه يجمع بين الاتصالات الكمومية مع استشعار الكم. لذلك ، إنها طريقة لتكون قادرة على قياس شيء ما واستعادة البيانات بطريقة لا يمكن لأي تنصت عليها اختراق أو محاكاة ساخرة. ”

قام دنينغهام ودكتوراه شون مور – بعد مرحلة ما بعد الدكتوراه في LAP6 Science Lab في باريس – على ما يسمونه في 14 يناير في المجلة المراجعة المادية أ.

يستخدم أبسط نموذج SQRS للباحثين فوتونات فردية مثل Qubit من النظام ، على الرغم من أن Qubits المستخدمة في الحوسبة الكمومية ، على سبيل المثال ، لا يحتاج أي من Qubits هنا إلى تشابك. يتولى نموذج SQRS أيضًا بعض الاتصالات الكلاسيكية على قناة مفتوحة ، بين المرسل والمستقبل من Qubits. ومع هذه المكونات ، يقترح الباحثون ، يمكن للمرء أن يؤدي القياسات عن بُعد عالية الدقة لا تتوفر نتائجها لا للشخص الذي يقوم بالقياس الفعلي ولا لأي تنصت محتمل قد يخترق قنوات الاتصالات.

أليس وبوب و SQRS

قل أن أليس تريد إجراء قياس عن بُعد. لجعل هذا القياس عبر SQRS ، ستحتاج إلى إرسال فوتونات فردية إلى بوب ، الذي يقع حيث تريد أليس إجراء القياس. يقوم بوب بعد ذلك بإجراء القياس ، وترميز نتائجه على مرحلة الفوتونات الفردية التي أرسلتها أليس كجزء من العملية. ثم يرسل بوب نتائج القياس المشفرة إلى أليس عبر قناة الاتصال الكلاسيكية. نظرًا لأن الطريقة تضمن أن بوب لا يعرف الحالات الأصلية التي أرسلها فوتونز أليس ، فلا يمكنه استخراج أي معلومات ذات معنى من بيانات المرحلة التي يرسلها إلى أليس. ربما يكون قد أجرى القياس ، لكنه لا يستطيع الوصول إلى نتيجة القياس. أليس فقط لديها ذلك.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لأي تنصت ، حواء ، أن يعترض الفوتونات الفردية والرسائل الكلاسيكية من أليس من بوب إلى أليس ، ولن تكون قادرة على تعريض المعنى منه أيضًا. هذا لأنه ، جزئيًا ، يوفر قياس بوب أيضًا العشوائية الكمية في العملية بطرق لا يمكن أن يعيدها حواء بشكل معقول – ولم يستطع بوب مراقبة النظام دون إزعاج النظام.

وفقًا لمور ، يعالج بروتوكول SQRS المقترح نوعًا من وضع القياس عن بُعد حيث يكون بوب هو ما يسميه الباحثون مراقبًا “صادقًا وفضوليًا”. “الصادق والفضول هو منظور معين يستخدم في التشفير الكم حيث نفترض أن بعض الحزب يفعل ما قيل له ، [such as not actively trying to leak data]يقول مور. “لكننا لا نريد بالضرورة الحصول على أي معلومات.”

في الشهر الماضي ، فريق من الباحثين في جامعة قوانغشي في قوانغشي ، ذكرت الصين أنهم مؤكد يعمل بروتوكول SQRS ، على الأقل على مستوى إثبات المبدأ. (ومع ذلك ، لم يتم نشر نتائج المجموعة حتى الآن على خادم Arxiv Online Preprint ولم تتم مراجعتها بعد.)

وفقًا لـ Wei Kejin ، الأستاذ المشارك في كلية العلوم الفيزيائية والهندسة في Guangxi ، تمكنت المجموعة من استخدام مصدر إضاءة ضعيف-ليس حتى مولد فوتون واحد ، بل مصدر إضاءة أبسط ، مع مرور الوقت ، يتناول الفوتونات الفردية فقط إحصائيا في المتوسط.

يقول Kejin ، إن مثل هذه المصادر الإضاءة الخالية من التشابك التي يمكن الوصول إليها نسبيًا ، “أسهل بشكل عام في التنفيذ ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات في العالم الحقيقي”.

تقارير مجموعة Guangxi 6 في المائة من قياسات نظام SQRS عن بُعد كانت خاطئة. ومع ذلك ، يقول Kejin أن معدل الخطأ بنسبة 6 في المائة في الإعداد أقل أهمية مما قد يظهر في البداية. وذلك لأن الإحصائيات تتحسن لصالح نظام SQRS مع المزيد من الفوتونات التي تم إنشاؤها. يقول كيجين: “يمكن استخدام تقنيات تصحيح الخطأ وتضخيم الخصوصية لتقطير مفتاح آمن”. “وهكذا ، تظل التكنولوجيا قابلة للحياة للتطبيقات الواقعية ، وخاصة في الاتصالات الآمنة حيث تكون الدقة العالية والموثوقية ذات أهمية قصوى.”

الخطوات التالية لـ SQRS – وتطبيقاتها

وفقًا لـ Jaewoo Joo ، محاضر كبير في كلية الرياضيات والفيزياء بجامعة بورتسموث في المملكة المتحدة ، والذي لا يناسب البحث ، يمكن أن يتضمن تطبيق SQRS العملي رادارًا كبيرًا. يقول جو إن الدقة المعززة على مستوى الكم لقياسات الرادار ستكون واحدة من المعالم الجاذبية ، ولكن لا يمكن لأي خصم أو متداخل اختراق ملاحظات الرادار. أو ، كما يقول جو ، يمكن أن يستخدم الأطباء المراقبون الطبيون في منزل أحد المريض أو في عيادة بعيدة عن موقع مركزي في المستشفى ، على سبيل المثال ، وستكون البيانات المرسلة إلى المستشفى آمنة وخالية من العبث أو القرصنة.

لتحقيق أنواع السيناريوهات التي يصفها Joo من المحتمل جدًا أن تتضمن شبكات كاملة من أنظمة SQRS ، وليس فقط إعداد SQRS الأساسي ، مع Alice و One Bob. يصف دنينغهام ومور هذا البسيط ،النموذج التأسيسي لـ SQRS في ورقة نشرت قبل عامين. كان إعداد SQRS الأساسي والتأسيوي ، في الواقع ، أن مجموعة Guanxi تعمل على اختبار تجريبي.

إن نظام SQRS الأكثر تعقيدًا والشبكات والذي من المحتمل أن يكون مطلوبًا هو ما هو موصوف في يناير المراجعة المادية أ ورق. يتضمن نظام SQRS الشبكي أليس جنبا إلى جنب مع متعددة “bobs” – التي تدير مستشعرها الفردي ، الذي يقوم به كل بوب من نوعه من القياسات كما هو الحال في بروتوكول SQRS الأساسي. الفرق الرئيسي بين SQRs الأساسية و SQRs المتصلة بالشبكة هو في النظام الأخير ، بعض Qubits في النظام تحتاج إلى أن تكونمتشابكة.

تقديم شبكات من أجهزة الاستشعار و qubits المتشابكة ، Dunningham و Moore Find ، Can مزيد من تعزيز دقة وأمن النظام.

يقول دنينغهام إن التأثيرات الكمومية ستؤدي أيضًا إلى تضخيم دقة النظام العام ، مع زيادة تتناسب مع الجذر التربيعي لعدد المستشعرات في الشبكة. يقول: “إذا كان لديك 100 مستشعر ، فستحصل على عامل من 10 تحسن”. “وهذه النوع من العوامل ضخمة في القياس. الناس متحمسون لبضعة في المئة. لذا فإن المزايا قد تكون كبيرة جدًا “.

تصور نظام SQRS المتصالح الشبكي ، على سبيل المثال ، يصف Dunningham الساعات الذرية المحسنة في المدار الذي يوفر عمليات حفظ الوقت عالية الدقة مع حماية كمية عالية الأمن يضمن عدم وجود قرصنة أو خداع.

يقول: “يمكنك الحصول على ميزة كبيرة للاقتران بدقة وكذلك الحفاظ على الأمن”.