ملخصات الأبحاث

شبكة اتصالات كَمية متكاملة من الفضاء إلى الأرض تغطي 4600 كيلومتر

.Yu. Chen et al

  • Published online:

يمكن لتقنية توزيع المفاتيح الكمية (المعروفة اختصارًا بـQKD) إتاحة الاتصالات ونقل المعلومات بطريقة آمنة. وتجريبيًّا، ظهرت جدوى "توزيع المفاتيح الكمية من نقطة إلى نقطة" في تجارب إثبات المفهوم التوضيحية المبكرة التي تُجرى في المختبرات، وتغطي نطاقًا مسافته 32 سنتيمترًا. وقد زادت هذه المسافة لاحقًا، لتغطي نطاقًا يمتد إلى 100 كيلومتر مع استخدام توزيع المفاتيح الكمية القائم على حالة كمية مموِّهة، ثم زادت مؤخرًا لتغطي نطاقًا يبلغ 500 كيلومتر مع استخدام توزيع المفاتيح الكمية غير المعتمد على الثقة في أجهزة القياس. كذلك اختُبِرت عدة شبكات توزيع مفاتيح كمية صغيرة النطاق خارج المختبرات، غير أن إنشاء شبكة توزيع مفاتيح كمية عالمية يتطلب شبكة لتوزيع هذه المفاتيح تكون آمِنة وموثوق فيها عمليًّا (وليس نظريًّا فحسب)، ويستطيع استخدامها عدد كبير من المستخدمين الموزَّعين على نطاق واسع. ويمكن لمكررات الإرسال الكمية -من حيث المبدأ- أن تخدم كأداة عملية لإنشاء مثل هذه الشبكة العالمية، لكنْ لا يُمكن توظيف هذه المكررات باستخدام التكنولوجيا المتوفرة حاليًّا.

وفي هذا البحث المنشور، يعرض الباحثون شبكة اتصالات كمية متكاملة من الفضاء إلى الأرض، تضم شبكة ألياف واسعة النطاق، مكوَّنة من أكثر من 700 وصلة ليفية من وصلات توزيع المفاتيح الكمية، ووصلتين عاليتي السرعة لتوزيع المفاتيح الكمية بين قمر صناعي والأرض في الفضاء الحر. وباستخدام منظومات مرحلات موثوق فيها، تغطي شبكة الألياف الموجودة على الأرض أكثر من 2000 كيلومتر، وتقي من الناحية العملية من عيوب الأجهزة على أرض الواقع، وتحافظ على درجة الثقة في الاتصال واستقراره على المدى البعيد. ويحقق توزيع المفاتيح الكمية المُوَجَّه من قمر صناعي إلى الأرض معدل توزيع للمفاتيح السرية يبلغ في المتوسط 47.8 كيلوبِت في الثانية في الفترة القياسية التي تكون فيها المحطات الأرضية مرئية من الأقمار الصناعية، ومتاحة للاتصال بها؛ أي أعلى من المعدل الذي تحقق سابقًا بأكثر من 40 مرة. وإضافة إلى ذلك، فإن معدل فقدان الإشارات الضوئية في قنوات الاتصال بهذا التوزيع مشابه له بين قمر صناعي متزامن في دورانه مع دوران كوكب الأرض وسطح الأرض نفسه، وهو ما يتيح إنشاء وصلات كمية فائقة الطول، وذات استخدامات متعددة عبر أقمار صناعية متزامنة في دورانها مع الأرض. وأخيرًا، فمن خلال الدمج بين وصلات توزيع المفاتيح الكمية الليفية، ووصلات الفضاء الحر، يمكن تمديد نطاق شبكة توزيع المفاتيح الكمية إلى عقدة نقل بيانات أبعد بأكثر من 2600 كيلومتر، وهو ما سيُمَكِّن أي مستخدِم في الشبكة من التواصل مع أي مستخدِم آخر في نطاق مسافة إجمالية تصل إلى 4600 كيلومتر.