پیرو مباحث مطرحشده در بخش نخست پیرامون لزوم حفظ کیفیت اطلاعات و پیادهسازی لایه امنیتی کوانتومی، تحقق عملیاتی این سامانه نیازمند بهکارگیری پروتکلهای مشخص انتقال است. در این بخش، روشهای اصلی انتقال حالت کوانتومی—اعم از ارسال مستقیم حاملها و پروتکل مبتنی بر درهمتنیدگی (تلهپورتاسیون)—مورد بررسی تخصصی قرار میگیرند.
انتقال مستقیم (Direct Transmission)
سادهترین روش جهت انتقال اطلاعات کوانتومی، ارسال فوتونها از طریق فیبر نوری یا مسیرهای فضای آزاد است. با این حال، عملکرد این روش در فواصل طولانی عمدتاً به دلیل تضعیف نوری (Optical Attenuation) و اتلاف فوتون (Photon Loss) در کانال انتقال محدود میشود. مثلا ًدر فیبرهای نوری مخابراتی معمولی که در طولموج حدود ۱۵۵۰ نانومتر کار میکنند، میزان تلفات تقریباً ۰٫۲ دسیبل بر کیلومتر است. این بدان معناست که اگرچه انتقال مستقیم میتواند در فواصل طولانی نیز مورد استفاده قرار گیرد، افزایش تلفات با فاصله، نرخ موفقیت انتقال را بهشدت کاهش داده و مقیاسپذیری این روش را محدود میکند. بنابراین، استفاده از انتقال مستقیم در شبکههای کوانتومی بینشهری و بینقارهای، بدون بهرهگیری از فناوریهایی مانند تکرارکنندههای کوانتومی (Quantum Repeaters)با محدودیت جدی ناشی از تلفات کانال و کاهش احتمال موفقیت انتقال مواجه است.
تلهپورتاسیون کوانتومی (Quantum Teleportation)
در این روش، انتقال حالت کوانتومی بدون نیاز به جابهجایی انتقال مستقیم فیزیکی فوتون انجام میشود؛ فرآیندی که به آن تلپورتیشن کوانتومی (Quantum Teleportation) گفته میشود. در ابتدا دو طرف ارتباط، یعنی آلیس (Alice) و باب (Bob)، یک جفت کیوبیت درهمتنیده (Entangled Qubits) را با یکدیگر به اشتراک میگذارند. سپس آلیس روی کیوبیت ورودی (که حاوی حالت ناشناختهای است) و یکی از کیوبیتهای درهمتنیده، اندازهگیری بل (Bell Measurement) انجام میدهد. نتیجه این اندازهگیری چهار حالت ممکن دارد که آلیس آن را بهصورت دو بیت کلاسیک جهت باب ارسال میکند.
باب پس از دریافت این اطلاعات، با اعمال یک عملیات یکانی (Unitary Operation) مناسب بر روی کیوبیت خود، میتواند حالت اولیهی کوانتومی را دقیقاً بازسازی کند. در این فرآیند، اندازهگیری بل موجب میشود حالت کوانتومی اولیه دیگر در اختیار آلیس باقی نماند و در نتیجه، نسخهای مستقل از آن در سیستم آلیس حفظ نمیشود. این امر با قضیه عدم تکثیر (No-Cloning Theorem) سازگار است که ایجاد یک کپی کامل و مستقل از یک حالت کوانتومی ناشناخته را غیرممکن میداند. این ویژگی، نقش مهمی در امنیت و صحت انتقال اطلاعات در تلپورتیشن کوانتومی است.
اَبَرکُدگذاری (Super dense Coding)
در این پروتکل که بهعنوان رمزگذاری ابرچگال (Super dense Coding) شناخته میشود، آلیس و باب در ابتدا یک جفت کیوبیت درهمتنیده (Entangled Pair) در اختیار دارند. آلیس جهت انتقال پیام خود تنها نیاز دارد یک کیوبیت را به باب ارسال کند، اما بهکمک درهمتنیدگی میتواند این دو بیت کلاسیک اطلاعات را منتقل نماید. به عبارتی در این پروتکل، پس از توزیع قبلی یک جفت کیوبیت درهمتنیده میان آلیس و باب، آلیس با ارسال تنها یک کیوبیت میتواند دو بیت اطلاعات کلاسیک را به باب منتقل کند.
جهت این منظور، آلیس یکی از چهار عملگر واحدی (Unitary Operators) ممکن (معمولاً شامل Z, X, I و XZ) را بر روی کیوبیت خود اعمال میکند. هر یک از این عملگرها متناظر با یکی از چهار حالت ممکن جهت دو بیت کلاسیک است. سپس او کیوبیت تغییریافته را جهت باب ارسال میکند. باب با انجام یک اندازهگیری بل (Bell Measurement) روی هر دو کیوبیت (کیوبیت دریافتی و کیوبیت خودش)، میتواند پیام آلیس را بهصورت کامل بازسازی کند. این فرآیند نشان میدهد که درهمتنیدگی کوانتومی ظرفیت انتقال اطلاعات را افزایش میدهد، زیرا امکان انتقال دو بیت کلاسیک از طریق تنها یک کیوبیت فیزیکی را فراهم میکند. در مدل استاندارد کانال بدون نویز و با واحدهای فیزیکی متناظر، یک کانال کوانتومی همراه با درهمتنیدگی پیشاشتراکی ظرفیت دو بیت کلاسیک به ازای یک کیوبیت ارسالی دارد.
شکل (1) مقایسه سه روش اصلی انتقال اطلاعات کوانتومی: انتقال مستقیم، تلهپورتاسیون، و ابرکُدگذاری را نشان میدهد.
شکل (1):مقایسهی سه روش اصلی انتقال اطلاعات کوانتومی. (الف) انتقال مستقیم (Direct Transmission): کیوبیتاز طریق یک کانال کوانتومی (مانند فیبر نوری) بهصورت فیزیکی از فرستنده به گیرنده منتقل میشود. (ب) تلپورتاسیون کوانتومی (Quantum Teleportation): حالت کوبیت بدون جابهجایی فیزیکی ذره، از طریق یک جفت درهمتنیده و ارسال اطلاعات کلاسیکی منتقل میگردد. (ج) ابرکدگذاری کوانتومی (Super dense Coding): با استفاده از یک جفت درهمتنیده، فرستنده میتواند تنها با ارسال یک کوبیت، دو بیت کلاسیکی را به گیرنده منتقل کند.
در این بخش، مکانیسمهای اصلی انتقال حالتهای کوانتومی و نقش پروتکلهای بنیادی نظیر تلهپورتاسیون در تبادل امن اطلاعات بررسی شد. با این حال، تحلیل این روشها در شرایط ایدهآل تنها گام نخست در شناخت رفتار آنهاست؛ زیرا در عمل، عملکرد واقعی هر پروتکل بهشدت تحت تأثیر نویز، اتلاف و واهمدوسی رسانهی انتقال قرار دارد. از این رو، در قسمت بعدی به بررسی کانالهای کوانتومی خواهیم پرداخت؛ جایی که با مدلسازی ریاضی نویز و رفتار فیزیکی محیط، کارایی واقعی انتقال اطلاعات در بسترهای مخابراتی ارزیابی میشود.
منابع
Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., & Zbinden, H. (2002). Quantum cryptography. Reviews of Modern Physics, 74(1), 145–195.
Pirandola, S., Andersen, U. L., Banchi, L., Berta, M., Bunandar, D., Colbeck, R., ... & Wallden, P. (2020). Advances in quantum cryptography. Advances in Optics and Photonics, 12(4), 1012–1236.
van Meter, R. (2014). Quantum networking. Wiley-IEEE Press..