توزيع مفاتيح كمية بمعدل مرتفع عبر متغيرات مستمرة على ألياف بطول 100 كيلومتر مع أمان مركب

لماذا سرعة مفاتيح الكم مهمة

مع اتساع حياتنا الرقمية، نعتمد على مفاتيح سرية لتشفير كل شيء من تحويلات البنوك إلى الرسائل الخاصة. طرق مشاركة المفاتيح الحالية قد تكون عرضة للاختراق مستقبلاً بواسطة حواسيب قوية، بما في ذلك الحواسيب الكمومية. يوفر توزيع المفتاح الكمي (QKD) طريقة لمشاركة المفاتيح تكون آمنة بموجب قوانين الفيزياء نفسها، وليس فقط بفضل أساليب رياضية ذكية. هذه الورقة تبلغ عن تقدم كبير: نظام كمي قادر على توليد مفاتيح سرية بمعدلات جيجابت في الثانية عبر شبكات ألياف بطول نطاق المدينة، مما يجعل أماناً مستوى فيزيائي أكثر عملية للاتصالات الواقعية.

من الفوتونات الهشة إلى الحماية العملية

يتيح QKD لمستخدمين، غالباً ما يُطلق عليهما أليس وبوب، إرسال ومضات ضوئية خافتة تكشف خصائصها الكمّية أي محاولة تنصت. نوع محدد، وهو QKD متغير المستمر، يشفر المعلومات في شدة وضابط طور الموجات الضوئية بدلاً من الجسيمات الفردية. هذا النهج يتوافق جيداً مع معدات الاتصالات الحالية ويعد بمعدلات مفاتيح عالية جداً. حتى الآن، واجهت أنظمة المتغير المستمر مفاضلة: دفع الإشارات إلى سرعات عالية جداً عبر امتدادات طويلة من الألياف يتسبب في ضوضاء إضافية تطغى على الأنماط الكمومية الهشة، مما يقلص المسافة والسرعة معاً. الأنظمة المسجلة حتى الآن عادة ما بلغت بضعة ميغابت في الثانية أو عشرات الكيلومترات عندما طُبقت قواعد أمان صارمة.

تقسيم نهر سريع إلى مجاري هادئة متعددة

يحلون الباحثون هذه العقبة بالاستعانة بحيلة من الإنترنت عالي السرعة الكلاسيكي: يقسمون تيار بيانات واحد سريع إلى عدة تيارات فرعية أبطأ، كلها تسير على «ألوان» ترددية مختلفة داخل نفس الليف. تسمي هذه التقنية تقسيم التردد المتعامد (OFDM)، حيث تحول إشارة كمية بعرض 10 غيغاهرتز إلى خمسة قنوات متوازية، كل منها يعمل عند 2 غيغاهرتز. لأن كل قناة فرعية أبطأ، تتعرض لتشوه أقل بكثير نتيجة تشتت الألياف—الميل المكون من مكونات التردد المختلفة للانتشار والتمويه عبر مسافات طويلة. يقوم الفريق بنمذجة وقياس مصادر الضوضاء الجديدة الناتجة عن تداخل القنوات المتعددة، ثم يختار عدد القنوات الفرعية الأمثل ويضبط شدة التعديل لكل منها لاستخلاص أعلى معدل مفتاح سري ممكن.

ضبط الضوضاء ومعالجة البيانات في الزمن الحقيقي

للحفاظ على نقاء الإشارات الكمومية، يرسل الإعداد نغمة مرجعية قوية إلى جانب النبضات الكمومية الضعيفة ويستخدمها لتتبع التذبذبات الطورية السريعة بين ليزرتين مستقلتين والألياف نفسها. خطوة تصحيح ثانية أبطأ تستخدم أنماط تدريب مُضمَّنة خصيصاً لإلغاء الانزياحات المتبقية دون استهلاكٍ مفرط من تيار البيانات. على جهة الاستقبال، تفصل كواشف واسعة النطاق ومعالجات رقمية عالية السرعة القنوات الفرعية الخمس وتعيد بناء حالاتها الكمومية. وبما أن النظام يولد أحجاماً هائلة من بيانات القياس الخام، بنى الفريق محرك معالجة لاحق قوي باستخدام عدة وحدات معالجة رسومية. تعمل هذه الشرائح شفرات تصحيح أخطاء متقدمة وروتينات تضخيم الخصوصية بسرعة كافية لمواكبة التدفق، محولةً البيانات المشتركة المزعجة إلى مفاتيح متطابقة وسرّية بشكل قابل للإثبات بمعدلات متعددة الجيجابت في الثانية.

سرعات قياسية عبر ألياف بطول نطاق المدينة

بفضل هذا التصميم متعدد الحاملات، يصل التجربة إلى معدلات مفاتيح سرية تقارب 1.8 جيجابت في الثانية عبر 5 كيلومترات من الألياف وأكثر بقليل من 1 جيجابت في الثانية عند 10 كيلومترات. حتى عند 50 و75 و100 كيلومتر—مسافات ذات صلة لربط مراكز البيانات وضواحي المدن—لا يزال النظام ينتج عشرات الميغابت في الثانية وبضعة ميغابت في الثانية على التوالي. والأهم من ذلك، أن هذه الأرقام ليست مثالية؛ فهي تأخذ بعين الاعتبار أحجام بيانات محدودة وتستخدم إطار أمني حديث ومحافظ يضمن بقاء المفاتيح آمنة حتى عند دمجها مع أدوات تشفير أخرى. بالمقارنة مع أفضل أنظمة المتغير المستمر السابقة تحت افتراضات أمنية مماثلة، يزيد هذا العمل معدل الأمان تقريباً بمقدار درجتين من الحجم ويمدد المسافة القابلة للاستخدام بحوالي عامل خمسة. كما يتفوق أيضاً على عروض QKD ذات المتغير المتقطع الرائدة عبر مسافات حضرية بفارق يقارب مرتبة واحدة من الحجم في السرعة.

ماذا يعني هذا لشبكات آمنة في المستقبل

بعبارات يومية، يوضح المؤلفون أنه يمكنك إرسال مفاتيح محمية كمية فائقة السرعة عبر وصلات ألياف بطول 100 كيلومتر باستخدام أجهزة وصيغ إشارية مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بتقنية الاتصالات الحالية. من خلال تقسيم إشارة كمية سريعة جداً إلى تيارات متعددة ألطف، وبالمزاوجة بين ضبط دقيق للضوضاء وحوسبة متوازية قوية، يحققون كلاً من السرعة العالية وضمانات أمان مركّبة قوية. هذا يقرب التشفير القائم على الفيزياء من التطبيق العملي في الشبكات الحضرية وشبكات الوصول، حيث يجب على العديد من المستخدمين ومراكز البيانات والخدمات مشاركة كميات هائلة من المعلومات السرية مع حماية طويلة الأمد.

الاستشهاد: Heng Wang, Yang Li, Ting Ye, Li Ma, Yan Pan, Mingze Wu, Junhui Li, Yiming Bian, Yun Shao, Yaodi Pi, Jie Yang, Jinlu Liu, Ao Sun, Wei Huang, Stefano Pirandola, Yichen Zhang, and Bingjie Xu, "High-rate continuous-variable quantum key distribution over 100 km fiber with composable security," Optica 12, 1657-1667 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.566359

الكلمات المفتاحية: توزيع المفتاح الكمي, الاتصال الكمي متغير المستمر, أمن الألياف البصرية, شبكات كمية عالية السرعة, تقسيم التردد المتعامد