اتصال کوتاه

.

روز اول فروردین امسال 1403 (20 مارس 2025)، یک تیم علمی تحت هدایت چین به اولین ارتباط کوانتومی ایمن 10 هزار کیلومتری جهان دست یافت. یک گروه علمی بین‌المللی تحت هدایت و رهبری دانشمندان چینی، ارتباطات کوانتومی ایمن را در مسافتی بیش از 12 هزار و 900 کیلومتر بین چین و آفریقای جنوبی محقق کرده‌اند. این دستاورد جدید در فن‌آوری کوانتوم با استفاده از ماهواره میکرو-نانو «جینان-۱»¹ و ایستگاه‌های مینیاتوری زمینی، پتانسیل ارتباطات کوانتومی ایمن در مقیاس جهانی را نشان می‌دهد.

برای نخستین بار در جهان، گروه علمی تحت رهبری دانشگاه علم و فن‌آوری چین، فن‌آوری «توزیع کلیدهای رمزنگاری کوانتومی (QKD)²» را به صورت بلادرنگ بین ماهواره و ایستگاه‌های مینیاتوری کوچک زمینی، از جمله یک ایستگاه در شهر استلنبوش³ آفریقای جنوبی، ممکن ساخت.

با بهره‌گیری از این دستاورد در حوزه مهندسی، دانشمندان چینی در همکاری با همتایان خود از دانشگاه استلنبوش آفریقای جنوبی، موفق به نمایش طولانی‌ترین ارتباط ایمن ضد هک تا به امروز در بین دو نیمکره زمین شدند.

نتایج این تحقیق در روز چهارشنبه 19 مارس 2025 در مجله نیچر⁴ منتشر شد. داوران این مجله این دستاورد را «یک موفقیت فنی چشمگیر» توصیف کردند که نشان‌دهنده‌ی «پیشرفت قابل توجه در ایجاد شبکه‌های ماهواره‌ای قابل اطمینان برای خدمات گسترده QKD ماهواره‌ای» است و «رشد قابل توجه فن‌آوری QKD ماهواره‌ای» را نشان می‌دهد.

.

فن‌آوری توزیع کلید کوانتومی چیست؟

این فن‌آوری یک روش پیشرفته برای ایجاد کلیدهای رمزنگاری امن بین دو طرف (مثلاً میان دو شخص فرضی زهره و سیامک و با حضور نفوذگری به نام تیمور؛ البته در متن‌های بین‌المللی از نام‌های آلیس و باب و ایو استفاده می‌شود) است که از اصول مکانیک کوانتومی برای تضمین امنیت مطلق استفاده می‌کند. برخلاف روش‌های کلاسیک که بر پیچیدگی ریاضیات تکیه دارند، QKD امنیت خود را از قوانین فیزیک کوانتومی می‌گیرد و هرگونه استراق سمع و شنود در مسیر را آشکار می‌سازد..

.

اصول پایه QKD

۱. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ⁵:

   - اندازه‌گیری یک سیستم کوانتومی (مثل فوتون) باعث تغییر حالت آن می‌شود.

  - اگر تیمور سعی کند کلید را مورد استراق سمع قرار دهد، حالت فوتون‌ها تغییر می‌کند و حضور او فاش می‌شود.

 

۲. درهم‌تنیدگی کوانتومی:

   - در برخی پروتکل‌ها (مثل E91)، «جفت فوتون‌های درهم‌تنیده⁶» مورد استفاده قرار می‌گیرند.

   - اندازه‌گیری یکی از فوتون‌ها، حالت دیگری را فوراً تعیین می‌کند، حتی اگر در فاصله دور باشند.

.

پروتکل‌های معروف QKD

۱. BB84 (پروتکل بنت و براسارد - ۱۹۸۴)، قدیمی‌ترین و معروف‌ترین پروتکل:

   - زهره کیوبیت‌ها (معمولاً فوتون‌ها) را در پایه‌های مختلف (مثلاً + یا ×) ارسال می‌کند.⁷

   - سیامک به صورت تصادفی پایه‌های اندازه‌گیری را انتخاب می‌کند.

   - پس از ارسال، طرفین پایه‌های استفاده شده را مقایسه می‌کنند و فقط بیت‌هایی را نگه می‌دارند که پایه‌هایشان یکسان بوده است.

۲. E91 (اکرت - ۱۹۹۱)، بر پایه درهم‌تنیدگی کوانتومی:

   - از جفت فوتون‌های درهم‌تنیده استفاده می‌کند.

   - امنیت مبتنی بر «نقض نابرابری بل»⁸ است.

.

مراحل کار QKD

۱. انتقال کوانتومی: ارسال فوتون‌ها از طریق کانال کوانتومی (مثلاً فیبر نوری یا فضای آزاد).

۲. تصحیح خطا: حذف بیت‌های ناهماهنگ با استفاده از ارتباط کلاسیک.

۳. تقویت امنیت: کاهش اطلاعاتی که ممکن است تیمور به دست آورده باشد.

.

مزایای QKD

- امنیت مطلق: حتی با پیشرفت رایانه‌های کوانتومی، شکستن کلید غیرممکن است.

- تشخیص استراق سمع: هرگونه تلاش برای شنود، تغییراتی ایجاد میکند که قابل شناسایی است.

- سازگاری با زیرساخت‌های موجود: امکان ترکیب با رمزنگاری کلاسیک (مثل AES).

.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

۱. محدودیت فاصله:

   - در فیبر نوری: بیشینه تا حدود۱۰۰-5۰۰ کیلومتر (به دلیل تلفات فوتون).

   - در فضای آزاد: تا ۱۲۰۰ کیلومتر (مثلاً ماهواره چینی موضوع این مقاله).

۲. هزینه بالا: نیاز به لیزرهای دقیق، آشکارسازهای تک‌فوتونی و خنک‌کننده‌های کریوژنیک.

۳. سرعت پایین: در مقایسه با روش‌های کلاسیک نرخ تولید کلید محدود به بین ۱ کیلوبیت بر ثانیه تا ۱ مگابیت بر ثانیه است.

.

کاربردهای عملی

- شبکه‌های بانکی: انتقال امن داده‌های مالی.

- شبکه‌های دولتی و نظامی: محرمانه‌سازی ارتباطات حساس.

- اینترنت کوانتومی: ایجاد شبکه‌های جهانی امن (مثلاً پروژه EU’s Quantum Flagship).

.

 نمونه‌های واقعی

۱. شبکه کوانتومی چین (ژنو-شانگهای): انتقال کلید کوانتومی بین دو شهر با فاصله ۲۰۰۰ کیلومتر.

۲. ماهواره Micius: اولین ارتباط کوانتومی ماهواره‌ای بین چین و اتریش..

.

تفاوت رمزنگاری کوانتومی با رمزنگاری کلاسیک.

آینده‌ی QKD

با پیشرفت فن‌آوری «تکرارگرهای کوانتومی⁹» محدودیت فاصله از بین خواهد رفت. انتظار می‌رود تا دهه ۲۰۳۰، QKD به بخش استاندارد زیرساخت‌های امنیتی جهانی تبدیل شود.

.

.

مطالب مرتبط:

.

منبع:

شبکه تلویزیونی جهانی چین

و منابع دیگر
.

.

پانویس‌ها:

1- ماهواره میکرو-نانو « Jinan-1»

ماهواره میکرو-نانو «جینان-۱» یک ماهواره‌ی کوچک و پیشرفته ساخت چین است که برای مشاهدات زمینی و جمع‌آوری داده‌های سنجش از دور طراحی شده است. این ماهواره بخشی از منظومه‌ی ماهوارهای چین به نام Qilu (چیلو) است که هدف آن پوشش گسترده و کارآمد برای کاربردهای تجاری و علمی است. 

مشخصات کلیدی: 

- نوع: ماهواره میکرو-نانو (وزن حدود ۲۰ تا ۵۰ کیلوگرم). 

- توسعه‌دهنده: توسعه‌یافته توسط مؤسسه فناوری فضایی شاندونگ (Shandong Institute of Aerospace Electro-technology). 

- پرتاب: اولین ماهواره از این سری در سال ۲۰۲۳ به فضا پرتاب شد. 

- مأموریت: جمع‌آوری داده‌های طیف‌سنجی و تصویربرداری چندطیفی با وضوح بالا.

کاربردهای اصلی: 

۱. پایش محیط زیست: 

   - رصد تغییرات آب‌وهوایی، آلودگی هوا و وضعیت جنگل‌ها. 

   - نظارت بر منابع آب و خاک. 

۲. کشاورزی هوشمند: 

   - تحلیل سلامت محصولات و پیش‌بینی عملکرد کشاورزی. 

   - شناسایی آفات و بیماری‌های گیاهی. 

۳. مدیریت بحران: 

   - ارزیابی خسارت ناشی از بلایای طبیعی مانند سیل، زلزله و آتش‌سوزی. 

   - کمک به برنامه‌ریزی امداد و نجات. 

۴. شهرسازی هوشمند: 

   - نظارت بر توسعه شهری و ترافیک. 

   - برنامه‌ریزی زیرساخت‌ها بر اساس داده‌های به‌روز. 

 فناوری‌های به‌کاررفته: 

- سنسورهای اپتیکی: قابلیت تصویربرداری با وضوح ۱ تا ۵ متر. 

- طیف‌سنجی چندطیفی: تحلیل طیف‌های نوری برای شناسایی مواد و پدیده‌های زمینی. 

- ارتباطات پیشرفته: انتقال داده‌ها به ایستگاه‌های زمینی با سرعت بالا. 

مزایای ماهواره‌های میکرو-نانو: 

- هزینه پایین: ساخت و پرتاب ارزان‌تر نسبت به ماهواره‌های سنتی. 

- انعطاف‌پذیری: امکان پرتاب گروهی (منظومه‌ای) برای پوشش مداوم. 

- به‌روزرسانی سریع: جایگزینی آسان نسل‌های جدیدتر. 

اهمیت ماهواره جینان-۱ برای چین: 

- تقویت برنامه سنجش از دور تجاری چین در رقابت با شرکت‌هایی مانند Planet Labs یا SpaceX. 

- پشتیبانی از پروژه‌های اقتصاد دیجیتال و اینترنت اشیاء (IoT) در حوزه‌های زیرساختی. 

- گسترش نفوذ فناوری فضایی چین در بازارهای جهانی.

2- Quantum Key Distribution - QKD

3- Stellenbosch، دومین شهری که اروپاییان در آفریقای جنوبی بنیان‌گذاری کردند. این شهر کوچک 80هزار نفری مرکز یکی از مهم‌ترین و معتبرترین دانشگاه‌های آفریقای جنوبی با نزدیک به 30هزار دانشجو است.

4- Nature

5- اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یکی از پایه‌ای‌ترین مفاهیم در مکانیک کوانتومی است که توسط فیزیکدان آلمانی، ورنر هایزنبرگ، در سال ۱۹۲۷ مطرح شد. این اصل به زبان ساده می‌گوید: هیچگاه نمی‌توانید هم‌زمان مکان (موقعیت) و سرعت (تکانه) یک ذره کوانتومی (مثل الکترون) را با دقت کامل اندازه‌گیری کنید! زیرا:

- اگر مکان ذره را دقیقاً بدانید، سرعت آن نامشخص خواهد بود. 

- اگر سرعت ذره را دقیقاً بدانید، مکان آن نامشخص خواهد بود.

چرا چنین اتفاقی می‌افتد؟ ذرات کوانتومی (مانند الکترون‌ها) هم‌زمان خاصیت موج و ذره دارند. وقتی می‌خواهید مکان یک ذره را اندازه بگیرید، مجبورید با آن تعامل کنید (مثلاً با تاباندن نور به آن). این تعامل، سرعت ذره را تغییر می‌دهد!

مثال: تصور کنید می‌خواهید موقعیت یک توپ بیلیارد را در تاریکی پیدا کنید. برای این کار، باید نور به آن بتابانید. اما برخورد فوتون‌های نور به توپ، سرعت آن را تغییر می‌دهد. در دنیای کوانتومی، این تغییر سرعت آنقدر قابل توجه است که اندازه‌گیری دقیق موقعیت ذره را غیرممکن می‌کند. اما این فقط یک محدودیت ابزاری نیست! هایزنبرگ نشان داد این عدم قطعیت، یک ویژگی ذاتی طبیعت است، نه ناتوانی ابزارهای ما. به بیان دیگر، ذرات کوانتومی به طور ذاتی «گریزپا» هستند و نمی‌گذارند همزمان راز مکان و سرعت‌شان فاش شود! پیامدهای شگفت‌انگیز چنین واقعیتی عبارتند از:

۱. الکترون‌ها مدار مشخصی ندارند: در اتم، الکترون‌ها به جای حرکت در مسیرهای دقیق، در ابری احتمالی (اوربیتال) حضور دارند.

۲. جهان کوانتومی احتمالاتی است: پیش‌بینی رفتار ذرات تنها با احتمالات ممکن است.

۳. پایه‌‌ی فن‌آوری‌های مدرن: این اصل در ساخت لیزر، ترانزیستور و رایانه‌های کوانتومی نقش کلیدی دارد.

هایزنبرگ به ما یادآوری می‌کند: «ذرات کوانتومی مثل آدم‌های مرموز هستند! هرچه بیشتر سعی کنید موقعیت‌شان را بدانید، کمتر از مقصدشان سر درمی‌آورید!»

6- Entangled photon pairs

7- در پروتکل BB84، «پایه» (Basis) به جهت قطبش فوتون‌ها اشاره دارد. قطبش (Polarization) یعنی جهت نوسان میدان الکتریکی فوتون. برای درک بهتر، تصور کنید فوتون مانند یک تیرِ پرچم است که می‌تواند به صورت عمودی، افقی، یا مورب نوسان کند. 

پایه + و پایه × چیست؟ 

۱. پایه + (rectilinear basis): 

   - شامل دو جهت قطبش عمودی (↑) و افقی (→) است. 

   - مثلاً زهره خانم مثال ما فوتون‌ها را با قطبش عمودی (۰ درجه) یا افقی (۹۰ درجه) ارسال می‌کند. 

۲. پایه × (diagonal basis): 

   - شامل دو جهت قطبش ۴۵ درجه (↗) و ۱۳۵ درجه (↖) است. 

   - مثلاً زهره خانم فوتون‌ها را با قطبش ۴۵ درجه یا ۱۳۵ درجه ارسال می‌کند. 

چرا از دو پایه متفاوت استفاده می‌شود؟ 

- امنیت کوانتومی: سیامک (گیرنده) به صورت تصادفی یکی از پایه‌ها (+ یا ×) را برای اندازه‌گیری انتخاب می‌کند. 

  - اگر سیامک پایه‌ی درست را انتخاب کند (مثلاً هر دو طرف تماس از پایه + استفاده کنند)، نتیجه‌ی اندازه‌گیری دقیقاً مطابق ارسال زهره خواهد بود. 

  - اگر پایه‌ها متفاوت باشند (مثلاً زهره از + و سیامک از × استفاده کند)، نتیجه‌ی اندازه‌گیری تصادفی می‌شود و بی‌معنی است. 

- تشخیص استراق سمع: 

  - اگر تیمور (فرد مخرب) بخواهد فوتون‌ها را اندازه‌گیری کند، مجبور است حدس بزند از کدام پایه استفاده کند. 

  - اگر پایه انتخابی تیمور با پایه‌ی زهره متفاوت باشد، اندازه‌گیری او باعث تغییر قطبش فوتون می‌شود. 

  - این تغییر در مرحله‌ی مقایسه‌ی پایه‌ها توسط زهره و سیامک آشکار می‌شود و وجود تیمور فاش می‌گردد. 

مثال ساده: 

فرض کنید زهره فوتونی با قطبش ↑ (پایه +) ارسال کند: 

- اگر سیامک پایه + را انتخاب کند، قطعاً ↑ را اندازه می‌گیرد. 

- اگر سیامک پایه × را انتخاب کند، نتیجه‌ی اندازه‌گیری تصادفی خواهد بود (↗ یا ↖). 

- بعداً زهره و سیامک پایه‌های استفاده‌شده را با هم مقایسه می‌کنند و فقط بیت‌هایی را نگه می‌دارند که پایه‌هایشان یکسان بوده است. 

نقش + و × در امنیت: 

استفاده از دو پایه‌ی متفاوت، امنیت را تضمین می‌کند، زیرا هرگونه استراق سمعی که پایه‌ها را نشناسد، باعث ایجاد خطا در داده‌ها می‌شود. این خطاها در مرحله‌ی تصحیح کلید شناسایی شده و ارتباط قطع می‌گردد.

8- نقض نابرابری بل (Violation of Bell's Inequality) 

پدیده‌ای در مکانیک کوانتومی است که نشان می‌دهد برخی پیش‌بینی‌های این نظریه با مفاهیم کلاسیکِ واقع‌گرایی محلی (Local Realism) ناسازگار است. این ناسازگاری، وجود پدیده‌های کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی (Entanglement) را تأیید می‌کند و ثابت می‌کند جهان در سطح کوانتومی بر اساس قوانین عجیبی عمل می‌کند که در دنیای ماکروسکوپی قابل درک نیستند.

پیش‌زمینه‌ی تاریخی:

- مناقشه‌ی اینشتین-بور: اینشتین معتقد بود مکانیک کوانتومی ناقص است و پدیده‌هایی مانند درهم‌تنیدگی را با مفهوم متغیرهای پنهان محلی (Local Hidden Variables) توضیح می‌داد.

- جان بل (John Bell): در سال ۱۹۶۴، بل با ارایه نابرابری‌های بل، راهی برای آزمایش تجربی این اختلاف‌نظر پیشنهاد داد. 

نابرابری بل چیست؟ 

بل یک فرمول ریاضی (نابرابری) ارایه کرد که بر اساس واقع‌گرایی محلی (دو فرضیه زیر) پیش‌بینی‌هایی انجام می‌داد: 

۱. واقع‌گرایی (Realism): ذرات پیش از اندازه‌گیری، ویژگی‌های قطعی دارند (مثلاً اسپین یا قطبش مشخص). 

۲. محلی‌گرایی (Locality): تأثیرگذاری بین ذرات نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور باشد. 

اگر جهان کلاسیک درست می‌بود، نتایج آزمایش‌ها باید این نابرابری را رعایت می‌کردند.

نقض نابرابری بل در آزمایش‌ها:

آزمایش‌های پیشرفته نشان دادند که اندازه‌گیری‌های ذرات درهم‌تنیده (مثلاً جفت فوتون‌ها) نابرابری بل را نقض می‌کنند. این یعنی: 

- نتایج آزمایش‌ها با پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی همخوانی دارند، نه با واقع‌گرایی محلی. 

- ذرات درهم‌تنیده حتی در فاصله‌های بسیار دور، هم‌بستگی‌هایی نشان می‌دهند که با توضیحات کلاسیک قابل توجیه نیستند. 

پیامدهای نقض نابرابری بل:

۱. رد متغیرهای پنهان محلی: نظریه‌هایی که سعی می‌کردند مکانیک کوانتومی را با مفاهیم کلاسیک توضیح دهند، نادرست هستند. 

۲. تأیید درهم‌تنیدگی کوانتومی: ذرات می‌توانند به‌صورت غیرمحلی بر هم تأثیر بگذارند (هرچند این به معنای انتقال اطلاعات سریع‌تر از نور نیست!). 

۳. پایه‌گذاری فن‌آوری‌های کوانتومی: مانند رایانش کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی (QKD) و تله‌پورت کوانتومی.

مقایسه‌ی دنیای کلاسیک در برابر دنیای کوانتومی:

نمونه آزمایشی ساده 

فرض کنید دو جعبه دارید که هر کدام یک لنگه‌ی دستکش (چپ یا راست) در خود جای داده‌اند. اگر یک جعبه را باز کنید و لنگه‌دستکش راست ببینید، می‌دانید در جعبه‌ی دیگر حتماً لنگه‌دستکش چپ قرار دارد. در دنیای کلاسیک، این هم‌بستگی از پیش تعیین شده است. 

اما در دنیای کوانتومی، تا زمانی که جعبه‌ای را باز نکنید، دستکش‌ها هیچ جهت قطعی ندارند! این جهت فقط در لحظه‌ی اندازه‌گیری تعیین می‌شود و جعبه دیگر بلافاصله جهت مخالف را نشان می‌دهد، حتی اگر کیلومترها دورتر باشد. 

جمع‌بندی 

نقض نابرابری بل نشان می‌دهد که طبیعت در سطح کوانتومی غیرمحلی و غیرقطعی است و درهم‌تنیدگی یک ویژگی واقعی و اساسی جهان است. این کشف یکی از عمیق‌ترین مفاهیم فلسفی و علمی قرن بیستم محسوب می‌شود.

9- Quantum Repeaters

.

.

www.tesalkootah.ir || 2025-03-26 ©  2015 © All rights reserved www.etesalkootah.ir تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه‌های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه‌های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.

.