ساخت موفقيت آميز نخستين تفنگ فوتونى

ايرنا: نخستين تفنگ فوتونى كه قادر است تك فوتون ها را در امتداد لوله هاى فيبر نورى انتقال دهد در انگليس، تكميل و اطلاعات مربوط به آن در يك كنفرانس علمى در بالتيمور آمريكا ارائه شد. اين موفقيت يكى از آخرين موانع را از سر راه انتقال پيام هاى رمز شده از طريق خطوط معمولى تلفن برطرف مى سازد.
در روش هاى رمزنگارى، مشخصات هر يك از عبارات در يك پيام به گونه اى تغيير داده مى شود كه تنها گيرنده اصلى بتواند با كمك يك كليد رمز، از محتواى اصلى اطلاع پيدا كند. اما در انتقال رمزها با استفاده از خطوط مخابراتى يكى از اصلى ترين محدوديت ها، ارسال خود كليد رمز براى گيرنده است. زيرا اين خطر وجود دارد كه راهزنان رايانه اى در وسط راه، اين پيام را رديابى كنند و كليد رمز را به دست آورند.
بيست سال پيش دو فيزيكدان به نام هاى جايلز براسارد و چارلز بنتى خطوط كلى شيوه اى را ارائه دادند كه با استفاده از آن اين امكان به وجود مى آمد كه بتوان كليد رمز را بدون آنكه خطر رديابى آن وجود داشته باشد از طريق خطوط مخابراتى انتقال داد.
ايده اصلى اين دو فيزيكدان متكى بر اين نظر بود كه پيامى كه با كمك ذرات كوآنتومى نظير فوتون ها ارسال مى شود چنان شكننده است كه هر نوع تلاش غيرمجاز براى رديابى آن موجب تغيير يافتن مشخصه هاى اين ذرات مى شود و در نتيجه محتواى پيام از بين مى رود و در عين حال گيرنده و فرستنده پيام نيز از اين امر اطلاع پيدا مى كنند.
اما محدوديت اصلى اين روش در آن است كه اين شيوه رمزنگارى تنها در صورتى با موفقيت به كار گرفته مى شود كه كليد رمز با استفاده از تك فوتون ها ارسال شود نه آنكه به شيوه اى كه در حال حاضر در مخابرات مورد استفاده است، از شمار زيادى فوتون براى اين منظور بهره گرفته شود.
مشكل در اينجاست كه انتقال تك فوتون ها در امتداد خطوط مخابراتى كارى دشوار است. در سال گذشته شمارى از شركت ها كار فروش جعبه ابزارهايى را براى رمزنگارى كليد رمزها آغاز كرده اند كه مى توانند با كاهش شدت پرتو يك ليزر پالس هايى توليد كنند كه هر يك به طور متوسط داراى يك فوتون هستند. اما اين احتمال كوچك همواره وجود دارد كه برخى از پالس ها داراى دو يا سه فوتون باشند. همين جنبه يك نقطه ضعف بزرگ به شمار مى آيد زيرا راهزنان كامپيوترى مى توانند اين فوتون هاى اضافى را رديابى كنند بدون آنكه گيرنده يا فرستنده از آن اطلاع يابند.
«آندرو شيلدز» و همكارانش از آزمايشگاه تحقيقاتى توشيبا در كمبريج در انگلستان موفق شده اند يك ديود نورى را تكميل كنند كه مى تواند در هر ثانيه تا هزار تك فوتون توليد كند و اطلاعات را با آهنگ يك مگابايت در ثانيه انتقال دهد. نكته مهم در اين ابداع تازه آن است كه تفنگ جديد الكترونى با همان طول موج ۱۳ ميكرومتر كار مى كند كه فيبرهاى نورى تجارى در آن عمل مى كنند. به گفته شيلدز تفنگ جديد در دو تا سه سال آينده براى مصرف تجارى آماده مى شود.
اين دستگاه در اصل از يك ديود نورى معمولى از جنس «آرسنيد گاليم» تشكيل شده كه حاوى شمارى از نقطه هاى كوآنتومى متشكل از خوشه هايى از «آرسنيد يد» است كه هر كدام تنها حاوى چند هزار اتم هستند.
در ديودهاى تجارى متعارف، الكترون هايى كه در لايه مركزى ديود قرار دارند با آنچه كه در الكترونيك «حفره» ناميده مى شود و نوعى بار مثبت مجازى است (يا عدم حضور الكترون) تركيب و در نتيجه يك فوتون نور توليد مى شود. در دستگاه جديد تركيب الكترون ها و حفره ها تنها در درون نقطه هاى كوآنتومى اتفاق مى افتد و موجب مى شود تا فوتون هايى با طول موج مشابه اندازه اين خوشه ها توليد شوند.
به اين ترتيب اندازه خوشه ها طول موجى را كه دستگاه در آن عمل مى كند مشخص مى سازد. با استفاده از يك لايه روكش مى توان تنها به يك فوتون اجازه داد تا در هر نوبت از دستگاه خارج شود و به اين ترتيب بازده دقيق و مورد نظر دستگاه تامين مى شود.
به گفته شيلدز اين دستگاه در مرحله تكميل نهايى قادر خواهد بود محدوديت هاى كنونى در رمزنگارى كوآنتومى را مرتفع سازد و انتقال اطلاعات با استفاده از خواص كوآنتومى را با بازده زيادى همراه كند.
دستگاه تكميل شده در آزمايشگاه توشيبا در كمبريج در كنفرانس الكترونيك كوآنتومى و علوم ليزر كه هم اكنون در بالتيمور در آمريكا جريان دارد، ارائه شده است.