شتوتغارت تشغّل توزيع مفاتيح كمومي قائمًا على التشابك من نقطة كمومية عبر ألياف مركّبة في الحرم الجامعي

ولّد فريق بقيادة شتوتغارت 14.2 ميغابت من المفاتيح السرية عبر 1.59 كم من ألياف الحرم الجامعي بفوتونات متشابكة من نقطة كمومية حُوِّلت إلى نطاق الاتصالات.

نفّذ فريق بقيادة جامعة شتوتغارت توزيع مفاتيح كمومي (QKD) قائمًا على التشابك عبر وصلة ألياف ضوئية مركّبة مسبقًا، مستخدمًا فوتونات من نقطة كمومية شبه موصلة بدلًا من الليزرات المُضعَّفة أو البلورات غير الخطية التي تعتمد عليها معظم الأنظمة الميدانية. وفي الورقة الأولية Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot المنشورة في 27 أكتوبر، يفيد 17 مؤلفًا بمعدل مفتاح سري بلغ 206 هرتز استمر 19 ساعة في حرم شتوتغارت-فايهينغن (Vaihingen).

ما الذي أُعلن

بحسب الملخص، امتدت الوصلة على 1.59 كم من الألياف المركّبة وولّدت ما مجموعه 14.2 ميغابت من المفاتيح السرية، استخدمها الفريق لتشفير صورة ملونة وفك تشفيرها. ويذكر Quantum Computing Report أن جامعة زارلاند وLeibniz IFW Dresden شاركتا أيضًا، ويصف تشفير الصورة بأنه لوحة مرة واحدة (one-time pad).

التفاصيل التقنية

المصدر نقطة كمومية من زرنيخيد الغاليوم صُنعت بطريقة الحفر بالقطيرات (droplet-etched)، تبعث أزواجًا من الفوتونات المتشابكة في الاستقطاب عند طول موجي يقارب 780 نانومترًا بمعدل إثارة 1 غيغاهرتز. ولأن هذا الطول الموجي لا ينتقل جيدًا في ألياف الاتصالات القياسية، استخدم الفريق التحويل الكمومي للتردد لنقل فوتون واحد من كل زوج إلى نطاق الاتصالات مع الحفاظ على تشابك الاستقطاب. وبحسب QCR، نقل محوّل من نوع Sagnac بكفاءة داخلية تصل إلى 50% الفوتونات من 779.8 نانومتر إلى 1515 نانومتر.

أرقام أخرى أوردها QCR:

دقة 91.4% مقارنةً بحالة بيل المستهدفة ضمن نافذة تزامن مدتها 275 بيكوثانية؛
فقد إجمالي قدره 1.09 ديسيبل على وصلة الألياف التي تربط المختبر بخزانة الاستقبال في موقع آخر من الحرم، مع تتبّع آلي للاستقطاب؛
معدل مفتاح خام 504 هرتز ومعدل مفتاح سري 206 هرتز بمتوسط معدل خطأ بتات كمومي 4.70%، وهو دون عتبة 11% لبروتوكول BBM92؛
تصحيح الأخطاء بكتل LDPC من 5,000 بت وتضخيم الخصوصية بتجزئة Toeplitz.

وبحسب QCR، حافظت فحوص الاستقطاب كل ساعة بواسطة صفائح موجية آلية على استقرار الوصلة طوال 19 ساعة، فيما عُزي الانخفاض الطفيف في الإنتاجية إلى الانجراف الحراري في مرشح ضيق النطاق.

لماذا يهم ذلك

تستطيع النقاط الكمومية بعث الفوتونات عند الطلب، ما يجنّب المقايضة الأساسية بين السطوع والانبعاث غير المرغوب لعدة فوتونات في مصادر الليزر والبلورات. وكانت نقطة ضعفها حتى الآن الطول الموجي. ويقول المؤلفون إن التجربة تُظهر أن مصدرًا ساطعًا عالي المعدل للفوتونات المتشابكة، ومحوّل تردد فعّالًا، ومزامنة زمنية بدقة البيكوثانية يمكن أن تعمل معًا في شبكة ميدانية حقيقية، وهي خطوة نحو الشبكات الكمومية الهجينة.

ما الذي يجب مراقبته

عُرضت النتائج في ورقة أولية لم تخضع بعد لتحكيم الأقران. والمسافة على نطاق الحرم الجامعي. والأسئلة التالية هي: هل تظل المقاربة فعّالة على مسافات بحجم المدن وفي شبكات متعددة العقد، وهل سيرتفع معدل المفتاح السري مع تحسّن كفاءة المصدر والمحوّل؟