«نور پیچ‌خورده» با افزایش میزان اطلاعات در هر فوتون، می‌تواند بازدهی سیستم‌های رمزنگاری کوانتومی را تا حد زیادی افزایش دهد. در این روشِ جدید که توسط یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی توسعه داده شده، به جای استفاده معمول از نور قطبیده، از تکانه زاویه‌ای دورانیِ (OAM) نور استفاده می‌شود و تعداد بیت‌ها در هر فوتون از یک بیت به 2.05 بیت در هر فوتون افزایش می‌یابد. به گفته این محققان در این رهیافت جدید تعداد بیت‌ها  در هر فوتون را می‌توان تا 4.17 بیت نیز افزایش داد، و علاوه بر این امنیت سیستم نیز تا میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.

بر خلاف سایر فن‌آوری‌های کوانتومی، سیستم‌های رمزنگاری کوانتومی در حال حاضر به علت امنیت بالا به صورت تجاری در برخی از بانک‌ها و دیگر سازمان‌ها استفاده می‌شوند. چنین سیستم‌هایی، توزیع کلید– کوانتومی (QKD) را به کار می‌گیرند، که به دو سازمان فرضی مانند آلیس و باب این امکان را می‌دهد تا یک کلید رمزی شده ایمن را به صورتی که در مقابل شنودهای احتمالی بیشترین امنیت را دارد بین یکدیگر مبادله کنند. چون این کلید بر حسب بیت‌های کوانتومی که کوبیت نامیده می‌شود ارسال شده، امنیت سیستم به حداکثر خود می‌رسد.

یک به دو

بیشتر روش‌های QKD فعلی از جهت‌گیری‌های مختلف قطبش یک فوتون استفاده می‌کنند- عمودی، افقی، قطری، غیرقطری. اما با استفاده از این روش، هر فوتون تنها یک کوبیت را می‌تواند انتقال دهد. اما در این رهیافت جدید، محمد میرحسینی و همکارانش از دانشگاه روچستر در ایالات متحده با رمزنگاری کردن کوبیت‌ها با استفاده از OAM و مکان سمتی زاویه‌ای فوتون‌ها (ANG) مقدار کوبیت‌ها را به 2.05 کوبیت در هر فوتون افزایش دادند. OAM جبهه موجِ باریکه‌ای از نور که به دور محور انتشارش دوران می‌کند را نیز شامل می‌شود. به این روش گاهی «نور پیچ‌خورده» گفته می‌شود.

این دو ویژگی، خاصیت جدیدی که «پایه‌های متقابلا غیر مورب» نام دارد را برای QKD فراهم می‌آورد. استفاده از چنین پایه‌هایی به این معناست که یک پیام تنها زمانی رمزنگاری می‌شود که آلیس اطلاعات را با استفاده از پایه‌های خاصی رمزنگاری کند و باب اطلاعات را دقیقا در همان پایه‌ها دریافت کند. تا زمانی که  OAMو ANG نسبت به یکدیگر متقابلا غیرمورب هستند، جاسوسِ شنود قادر نخواهد بود طور همزمان فوتونی را در هر دو پایه آشکارسازی کند. به این ترتیب امنیت سیستم به شدت افزایش می‌یابد.

الفبای در هم پیچیده

زمانی که آلیس و باب QKDهای خود را ایجاد کردند، پایه‌های مورد استفاده‌شان برای هر نماد در پیام رمزی را به صورت عمومی اعلام کرده و پایه‌های استفاده شده در ارسال و دریافت پیام را با هم مقایسه می‌کنند. آن‌ها تنها آن قسمت از پیام رمزی را حفظ می‌کنند که در آن همان پایه‌ها استفاده شده است و به این صورت در نهایت یک رمز امن را تولید می‌کنند که می‌توان پیام‌ها را بدون نیاز به رمزنگاری کوانتومی، تنها با یک الگویِ رمزنگاری منظم فرستاد.

میرحسینی که عضو گروه روبرت بوید در مرکز اپتیک روچستر است، در این‌باره می‌گوید این تیم قادر است با استفاده از OAM و ANG «الفبای» 7 بعدی را رمزنگاری کند- یعنی هفت حرف یا نماد. او می‌افزاید: «آزمایشات ما نشان می‌دهد که امکان استفاده از نور پیچ‌خورده در QKD وجود دارد و این موضوع باعث می‌شود تا در مقایسه با نور قطبیده ظرفیت اطلاعات تا دوبرابر افزایش یابد. میرحسینی همچنین توضیح می‌دهد که «بر خلاف قطبش، که در آن رمزنگاری بیش از یک بیت بر روی هر فوتون غیرممکن است، نور پیچ‌خورده امکان رمزنگاری چندین بیت را بر روی یک فوتون ممکن می‌سازد، و هر بیت اضافه در یک فوتون به این معناست که فوتون‌های کمتری تولید و اندازه‌گیری می‌شود».

این تیم همچنین اثبات کردند که سیستم‌شان می‌تواند اطلاعات را با دقت 93% و آهنگ 4 کیلوهرتز ایجاد و آشکارسازی کند. این محققان امیدوارند در آینده آهنگ ارسال اطلاعات را تا سطح گیگاهرتز افزایش دهند، که برای استفاده در ابزارهای ارتباطی از راه دور بسیار سودمند خواهد بود. تیم بوید در یکی از آزمایش‌های ابتدایی‌شان که در آن به جای استفاده از تک فوتون‌ها از باریکه قدرتمندی از لیزر استفاده کردند، 25 مد یا پایه از OAM و ANG را اندازه گرفتند. اگر این روش در رهیافت جدید استفاده شود، می‌توان 4.17 بیت در هر فوتون را ارسال و اندازه‌گیری کرد.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/mar/27/twisted-light-gives-quantum-cryptography-a-boost