Yapılan bir deneyde, son derece güvenli şifreleme yöntemlerinin bir bileşeni olan kuantum anahtar dağıtım ağlarının aynı zamanda depremlerin yerini belirleme ve tespit etme yeteneğine sahip olduğu gösterilmiştir.
Kuantum kriptografinin bir türünde, kullanıcılar şifreleme anahtarlarını (mesajları şifrelemek ve şifrelerini çözmek için kullanılan bit dizileri) bir fiber optik ağ üzerinden paylaşırlar. Fiber ağlar aracılığıyla depremleri tespit etme yeteneği yakın zamanda araştırmacılar tarafından gösterildi. Grup, 658 km uzunluğundaki bir fiberin belirli bir bölümünü titreştirirken, üzerinden bir kuantum anahtar dağıtım (QKD) sinyali iletti. Bu titreşimi optik sinyal aracılığıyla tespit ettikten sonra yerini bir kilometreye kadar belirleyebildiklerini gösterdiler. Bu yeni yöntem Çin, Güney Kore ve diğer ülkelerde kurulmakta olan QKD ağlarından faydalanmayı sağlayabilir.
Kuantum Anahtar Dağıtımı
QKD araştırmacıları, anahtarların kablosuz olarak ve optik fiberler aracılığıyla iletilmesine yönelik yöntemler üzerinde çalışıyor. Yaygın olarak kullanılan bir fiber teknolojisi olan ikiz alan kuantum anahtar dağıtımı (TF-QKD), güvenli, uzun mesafeli şifreleme elde etmek için foton girişimini kullanır. Bu tür bir paraziti bulmak için kullanıcıların her bir fiber bağlantı üzerinden ilettiği ışık sinyallerinin sürekli gözlemlenmesi gerekir. Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Jiu-Peng Chen ve arkadaşları, fiberdeki titreşimleri bulmak için bu sürekli veri akışını kullanabilecekleri sonucuna vardılar. Ekip üyesi Qiang Zhang’a göre, “Bir TF-QKD ağına ekstra fiber veya donanım kaynakları eklemeden titreşim algılama verilerini toplama yeteneğini kanıtladık.”
İki optik konfigürasyon, Alice ve Bob, bir TF-QKD deneyinde bir optik fiberin karşılıklı uçlarına yerleştirilir. Her bir konfigürasyon rastgele bir bit dizisi oluşturur ve bunu fiber boyunca optik bir sinyal olarak Charlie adlı ortadaki bir düğüme iletir. İki sinyal Charlie’de çarpışır ve ortaya çıkan optik sinyaller daha sonra çarpışmanın sonuçlarını ortak bir anahtar oluşturmak için kullanan Alice ve Bob’a geri gönderilir.
Zhang ve arkadaşları laboratuvar ortamında TF-QKD’yi göstermek için makaraların etrafına sarılmış optik fiber kullandılar. Toplam 658 kilometrelik uzunluğuyla (yakın zamanda yapılan bir deney 834 km’ye ulaştı) bugüne kadarki en uzun fiber tabanlı QKD gösterimlerinden biri. Araştırmacılar bu fiber bağlantıyı kullanarak verilerinde gizlenen titreşimsel imzaları incelediler. Zhang ve meslektaşlarının yaklaşımı, TF-QKD yöntemi için tipik olduğu üzere, fiber boyunca ilerleyen ışığın fazındaki değişimleri hesaba katmak için oluşturuldu. Örneğin, hızlı bir hareket Alice’in fiberinin uzunluğunu geçici olarak yarım dalga boyu artırırsa (radyan faz dalgalanmasına eşdeğer), Charlie’ye ışık dalgasının tepe noktası yerine bir çukur ulaşacaktır.
Faz dalgalanmalarını ortadan kaldırmak için bir TF-QKD sistemi, örneğin fiberin uzunluğunu küçük miktarlarda uzatarak sürekli olarak ayarlamalıdır. Zhang’a göre, TF-QKD sistemimizi geliştirirken, kanalın faz değişimini ayarlamak için önemli bir çaba sarf ettik.
Alice’in fiberini belirli bir konumda hareket ettiren piezoelektrik bir cihaz yerleştirerek, bilim insanları bu dalgalanma telafi mekanizmasının sismik bir titreşimi tespit etmek için nasıl kullanılabileceğini gösterdiler. Sismik algılama için uygun aralık, 1 ila 1000 Hz arasında ayarlanan titreşim frekansı için seçildi. Dalgalanma telafi sistemi, titreşimlerin neden olduğu 0,9 ila 50 radyan arasındaki faz değişimlerini tespit etti. Zhang’a göre, sismik dalgalar birkaç yüz ila birkaç bin radyan arasında değişen faz değişikliklerine neden olmalıdır.
Araştırmacılar ayrıca Alice ve Bob’un lazerlerinin frekanslarını birbirine kilitlemek için TF-QKD sistemleri tarafından kullanılan farklı bir fiber olan frekans kalibrasyon bağlantısını da test ettiler. Bu bağlantı, araştırmacıların titreşim kaynağını 1 kilometrelik bir yarıçap içinde bulmalarını sağladı.
Toronto Üniversitesi’nden kuantum bilgi uzmanı Hoi-Kwong Lo, bu kadar büyük bir mesafedeki titreşimi tespit edebilmenin şaşırtıcı olduğunu söylüyor. Yazar, depremleri tespit etmek için denizaltı telekomünikasyon hatlarını kullanan yakın tarihli bir deney gibi, optik fiberler aracılığıyla titreşimleri tespit etmeye yönelik benzer yöntemlere dikkat çekiyor.
Bu makalenin yazarlarından biri olan İngiltere’deki Ulusal Fizik Laboratuarı’ndan Giuseppe Marra, mevcut QKD gösteriminin kendisinin ve daha önceki diğer çalışmalarla aynı fikri kullandığını iddia ediyor. Yazar, bu yöntem kullanılarak inşa edilen gelecekteki QKD hatlarının “implante edilmiş fiberlerden daha fazla sismik bilgi sağlayabileceğini” iddia ediyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v15/63
