جامعة نانجينغ تحقق اختراقاً في بروتوكولات المؤتمرات الكمومية الآمنة القابلة للتوسع

في خطوة مهمة نحو بناء شبكات كمومية عملية وقابلة للتوسع، نجح فريق بحثي بقيادة البروفيسور شياو-سونغ ما من جامعة نانجينغ في تحقيق أول تطبيق تجريبي لبروتوكول المؤتمرات التشفيرية الكمومية غير المتزامنة والمستقلة عن أجهزة القياس (AMDI QCC)، وذلك وفقاً لدراسة نُشرت في مجلة Physical Review Letters.

يُعد توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) تقنية راسخة تتيح لمستخدمَين تبادل مفاتيح سرية يستند أمانها إلى قوانين ميكانيكا الكم. غير أن توسيع هذه القدرة لتشمل مستخدمين متعددين يمثل تحدياً جوهرياً في بناء شبكات الاتصالات الكمومية الآمنة. هنا يأتي دور المؤتمرات التشفيرية الكمومية التي تمكّن عدة أطراف من مشاركة مفتاح آمن موحد لحماية اتصالاتهم الجماعية.

في التجربة المُنجزة، يقوم ثلاثة مستخدمين بإرسال نبضات ضوئية بشكل مستقل إلى محطة قياس مشتركة تعتمد على حالات GHZ الكمومية، حيث يتيح مقياس تداخل متعدد المسارات قائم على الألياف الضوئية حدوث التداخل بين إشارات المستخدمين المختلفين. يتميز التصميم المستقل عن أجهزة القياس بقدرته على الحماية من الهجمات التي تستهدف معدات الكشف، مما يلغي الحاجة إلى الوثوق بمحطة القياس المشتركة.

تكمن الإضافة الجوهرية لهذا البروتوكول في معالجته لمشكلة تراجع معدلات توليد المفاتيح مع زيادة عدد المستخدمين وارتفاع خسائر النقل. ففي البروتوكولات التقليدية، يعتمد توليد المفاتيح على أحداث تزامن الفوتونات المتعددة التي تصبح نادرة للغاية مع توسع الشبكة. أما البروتوكول غير المتزامن الذي اقترحه نظرياً فريق البروفيسور زينغ-بينغ تشين وهوا-لي يين، فيتغلب على هذا القيد عبر تجميع أحداث توليد المفاتيح من عمليات كشف الفوتون المفرد المسجلة في أوقات مختلفة، ثم إقرانها أثناء معالجة البيانات. هذا التحسين يغير اعتماد معدل المفاتيح على خسائر النقل من تناسب أُسّي يتزايد مع عدد المستخدمين إلى تناسب خطي مع نفاذية القناة η، مما يفتح آفاقاً واعدة للتوسع.

حقق الفريق البحثي نتائج لافتة، إذ نجحوا في توليد مفاتيح آمنة عند خسائر نظام إجمالية بلغت نحو 59.6 ديسيبل، مقارنة بـ 21.5 ديسيبل فقط في تجربتهم السابقة المعتمدة على الترميز القطبي. كما طور الفريق نهجاً مبسطاً للتحكم في الطور باستخدام نبضات ضوئية مرجعية مشفرة عبر تقنية تقسيم الوقت مع تحويل فورييه السريع، مما يقلل الاعتماد على تقنيات التحكم المعقدة في الطور.

من الناحية التحليلية، يمثل هذا الإنجاز خطوة محورية نحو تحقيق شبكات كمومية عملية متعددة الأطراف. فالجمع بين كفاءة توليد المفاتيح غير المتزامن وتبسيط التحكم في الطور يجعل من بروتوكول AMDI QCC ركيزة واعدة لشبكات الكم المستقبلية. ومع التطورات المتسارعة في مصادر الضوء المدمجة والمُعدِّلات والكواشف، قد تتحول هذه القدرات المختبرية إلى شبكات اتصالات كمومية آمنة بين المدن خلال السنوات القادمة، مما سيعيد تشكيل البنية التحتية للاتصالات الآمنة على المستوى العالمي.