پروتکل کوانتومی به طور ایمن موقعیت دستگاه را با استفاده از ایستگاه های 2 کیلومتری از هم تأیید می کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

تأیید مطمئن مکان دستگاه متصل به اینترنت یا شبکه های دیگر برای برنامه های مختلف دنیای واقعی مهم است. برای مثال، می‌تواند برای مجوز دادن به تراکنش‌های مالی، ایمن کردن ارتباطات و کنترل افرادی که می‌توانند به پایگاه‌های اطلاعاتی یا خدمات خاصی دسترسی داشته باشند، ارزشمند باشد.

برخی از روش‌های فعلی مورد استفاده برای تأیید موقعیت یک دستگاه را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های مختلف فریب داد، مانند جعل GPS، دستکاری داده‌های مکان و حملات رله. این تکنیک‌ها به مهاجمان اجازه می‌دهد تا سیگنال‌های ناوبری ماهواره‌ای تقلبی را مخابره کنند، مختصات GPS گزارش‌شده توسط نرم‌افزار را تغییر دهند یا پیام‌های تأیید صحت را رهگیری و ارسال کنند.

محققان دانشگاه علم و فناوری چین اخیرا یک پروتکل تأیید موقعیت کوانتومی ساخته اند که می تواند به طور ایمن و قابل اعتماد مکان دستگاه ها را در یک شبکه تأیید کند. پروتکل آنها، که در مقاله منتشر شده در Nature Physics معرفی شد، با استفاده از دو تأیید کننده که در فاصله 2 کیلومتری (1.2 مایلی) از هم جدا شده بودند، موقعیت یک دستگاه را با موفقیت تأیید کرد و مکان احتمالی آن را به محدوده 74.3 متر (244 فوت) محدود کرد.

Guan-Jie Fan-Yuan، نویسنده اول مقاله و Shuang Wang و Zhen-Qiang Yin، نویسندگان مربوطه آن، به Phys.org گفتند: «گروه ما سال‌ها بر روی توزیع کلید کوانتومی و ارتباطات کوانتومی کار کرده است.

"توزیع کلید کوانتومی به دو طرف دور اجازه می دهد تا کلیدهای مخفی مشترک ایجاد کنند، اساسا یک ارتباط امن بین آنها ایجاد می کند، که معمولا برای ارتباطات ایمن استفاده می شود. با این حال، ما مدت هاست که به یک سوال عمیق تر علاقه مند بوده ایم: هنگامی که چنین ارتباط امنی برقرار شد، ما فراتر از ارتباطات ایمن با آن چه کار دیگری می توانیم انجام دهیم؟"

فناوری های محلی سازی فعلی مانند GPS در ردیابی موقعیت کاربران بسیار موثر است. با این حال، مهاجمان می توانند مکان ظاهری دستگاه را با استفاده از تکنیک های مختلف به خوبی تثبیت شده تغییر دهند.

فن یوان، وانگ و یین می‌گویند: «به عبارت دیگر، چالش صرفا تعیین موقعیت نیست، بلکه قابل اعتماد کردن آن موقعیت است.

راستی‌آزمایی موقعیت کوانتومی روشی اساسا متفاوت برای رسیدگی به این مشکل ارائه می‌کند. این ویژگی‌های اطلاعات کوانتومی را با محدودیت‌های نسبیتی در مورد سرعت حرکت اطلاعات ترکیب می‌کند و به تأییدکننده‌های توزیع‌شده متعدد با اتصالات امن ایجاد شده اجازه می‌دهد موقعیت ادعا شده یک اثبات‌کننده راه دور را با امنیت ریشه‌دار در فیزیک بنیادی تأیید کنند.»

به گفته فان یوان و همکارانش، پروتکل های تأیید موقعیت کوانتومی می تواند به بهبود امنیت و قابلیت اطمینان سیستم های موقعیت یابی کمک کند. به طور خاص، این پروتکل ها می توانند اطلاعات مکان را قابل اعتمادتر کنند.

نویسندگان می‌گویند: «ایده تأیید موقعیت کوانتومی سال‌ها به صورت تئوری مورد مطالعه قرار گرفته است، اما هنوز شکاف قابل‌توجهی بین تئوری و آزمایش وجود دارد. در عمل، سیگنال‌های کوانتومی به ناچار از دست دادن و خطا رنج می‌برند، در حالی که تأیید موقعیت نیز الزامات بسیار سختی را برای تأخیر سیستم ایجاد می‌کند».

بنابراین هدف اصلی ما غلبه بر این موانع، توسعه یک پروتکل مناسب برای شرایط تجربی واقعی و ساختن یک سیستم کامل برای اثبات آزمایش موقعیت کوانتومی بود.

پروتکل معرفی شده توسط محققان به گونه‌ای طراحی شده است که در شبکه‌ای با دو تأییدکننده یا به عبارت دیگر، دو ایستگاه یا دستگاه قابل اعتماد که بررسی می‌کنند که آیا یک prover (یعنی دستگاه یا سیستم) در جایی است که ادعا می‌شود، اعمال شود. دو تأیید کننده در طرف مقابل موقعیتی قرار دارند که باید تأیید شود.

یک تأیید کننده یک حالت کوانتومی را برای اثبات کننده ارسال می کند، در حالی که هر دو تأیید کننده اطلاعات کلاسیک را از جهات مختلف ارسال می کنند. سپس پروور از اطلاعات کلاسیک برای تعیین نحوه اندازه گیری حالت کوانتومی دریافتی استفاده می کند و بلافاصله نتیجه اندازه گیری ثبت شده را برمی گرداند.

فان یوان، وانگ و یین می‌گویند: «از این نظر، حالت کوانتومی اطلاعاتی را که باید اندازه‌گیری شود، حمل می‌کند، در حالی که اطلاعات کلاسیک از راه دور تعیین می‌کند که چگونه باید اندازه‌گیری شود».

"امنیت از ترکیب دو اصل اساسی ناشی می شود. مکانیک کوانتومی محدودیت های اساسی برای توانایی دشمن برای کپی کردن یا استخراج اطلاعات از یک حالت کوانتومی ناشناخته قرار می دهد، در حالی که نسبیت سرعت تبادل اطلاعات توسط دشمنان جدا شده از هم را محدود می کند."

پروتکل این تیم به تأییدکنندگان اجازه می‌دهد تا با در نظر گرفتن صحت نتایج اندازه‌گیری و زمان‌بندی پاسخ آن، آزمایش کنند که آیا اثبات‌کننده در موقعیت مورد ادعای خود قرار دارد یا خیر. بنابراین تأیید موقعیت یک پروور مستلزم اطمینان از اینکه سیگنال کوانتومی به درستی اندازه‌گیری شده است و پاسخ در بازه زمانی مورد انتظار برای دستگاه در موقعیت ادعا شده بازگردانده شده است.

فن یوان و همکارانش پس از ابداع پروتکل خود، تصمیم گرفتند آن را به صورت آزمایشی نشان دهند. با این حال، تبدیل ایده آنها به یک آزمایش قابل اجرا، آنها را ملزم به غلبه بر چندین چالش بزرگ کرد.

نویسندگان توضیح دادند: "از دست دادن و خطا در سیستم های کوانتومی واقعی اجتناب ناپذیر است و باید به طور صریح در تجزیه و تحلیل امنیتی گنجانده شود. تاخیر یکی دیگر از مسائل مهم است."

"پس از دریافت اطلاعات کلاسیک، پروور برای پردازش آن، اندازه گیری حالت کوانتومی و ایجاد پاسخ به زمان نیاز دارد. تایید کننده ها باید این زمان پردازش را در نظر بگیرند، و تاخیر بیشتر باعث عدم اطمینان بیشتر در تعیین محل تولید پاسخ می شود."

محققان دریافتند که هر نانوثانیه تأخیر اضافی در یک موقعیت تأیید شده به تقریبا 30 سانتی متر عدم قطعیت اضافی تبدیل می شود. هرچه تأخیر کمتر باشد، پروتکل با دقت بیشتری می تواند موقعیت یک پروور را تأیید کند.

نویسندگان نوشتند: «برای رسیدگی به این چالش‌ها، ابتدا یک پروتکل نظری جدید مبتنی بر حالت‌های منسجم ایجاد کردیم.

"یک مزیت مهم این است که شدت نوری یک حالت منسجم را می توان به طور انعطاف پذیر تنظیم کرد. با بهینه سازی این شدت، ما می توانیم اتلاف موثر مربوط به آماده سازی حالت کوانتومی را در سمت اثبات جبران کنیم و به طور قابل ملاحظه ای شرایط تلفات پروتکل را کاهش دهیم."

از آنجایی که حالت های منسجم ضعیف را می توان با استفاده از منابع لیزری معمولی ایجاد کرد، پروتکل تیم برای نمایش تجربی مناسب بود. برای آزمایش پتانسیل آن، محققان به یک سیستم آماده‌سازی و اندازه‌گیری حالت کوانتومی بسیار پایدار پی بردند که از کابل‌های انتقال نوری کم تلفات برای به حداقل رساندن تلفات فوتون استفاده می‌کرد.

نویسندگان می‌گویند: «برای اطلاعات کلاسیک، چند بیت را به‌طور موازی روی کانال‌های طول موج مختلف مخابره کردیم و پردازش سخت‌افزاری با سرعت بالا را پیاده‌سازی کردیم که تأخیر ارتباطات کلاسیک و محاسبات بلادرنگ را تا حد زیادی کاهش داد».

"در نهایت، ما سیستم کامل را روی یک پیوند فیبری 2 کیلومتری (1.2 مایلی) آزمایش کردیم. نتایج تجربی به طور قابل توجهی از حد تئوری امنیتی فراتر رفت و به وضوح نشان دهنده صادق را از دشمنان تحت مدل امنیتی ما متمایز کرد."

در آزمایش‌های اولیه، پروتکل این تیم می‌تواند موقعیت یک دستگاه را در طول تقریبی ۲ کیلومتر (۱.۲ مایل) فیبر نوری تأیید کند و به نرخ خطای تنها ۰.۲۷ درصد دست یابد. حداکثر تأخیر پاسخ پروور 247.8 نانوثانیه بود که دقت فضایی 74.3 متر (244 فوت) (یعنی تقریبا به اندازه یک ساختمان منفرد) را ایجاد کرد.

Fan-Yuan، Wang و Yin می‌گویند: «این نتایج به ما امکان داد نه تنها ارزیابی کنیم که آیا تأیید موقعیت کوانتومی می‌تواند به صورت آزمایشی کار کند، بلکه پتانسیل آن را به عنوان یک قابلیت امنیتی جدید برای موقعیت‌یابی، به‌ویژه در برنامه‌هایی که تصمیم‌های مهم بستگی به این دارد که آیا مکان مورد ادعا قابل اعتماد است یا خیر، را ارزیابی کنیم.

با هم، نتایج ما اولین نمایش تجربی کامل از تأیید موقعیت کوانتومی ایمن را تحت شرایط واقعی از دست دادن، خطا و تأخیر ارائه کرد.

این مطالعه اخیر یکی از اولین نمایش‌های آزمایشی تأیید موقعیت کوانتومی است که قبلا یک مفهوم عمدتا نظری بود. کار نظری گذشته قبلا اصول اساسی این رویکرد را ایجاد کرده بود و مزایای احتمالی آن را مشخص کرده بود، اما از دست دادن فوتون، خطاهای آزمایشی و الزامات تأخیر تقاضا، تحقق عملی آن را چالش برانگیز کرده بود.

نویسندگان می‌گویند: «کار ما نشان می‌دهد که می‌توان این موانع را با هم در یک سیستم واقعی برطرف کرد. اساسا، این آزمایش نشان می‌دهد که مکانیک کوانتومی و محدودیت‌های فضازمان نسبیتی را می‌توان برای محافظت نه تنها از اطلاعات، بلکه از قابلیت اطمینان مکان فیزیکی ترکیب کرد. این کاملا با فناوری‌های موقعیت‌یابی مرسوم متفاوت است.

"سیستم هایی مانند GPS در درجه اول برای تعیین موقعیت طراحی شده اند، در حالی که هدف ما پاسخ به یک سوال امنیتی مکمل است: آیا می توان به آن موقعیت اعتماد کرد؟"

در آینده، پروتکل تیم می تواند اصلاح و ارزیابی شود. در نهایت، به طور بالقوه می تواند به استقرار واقعی تأیید موقعیت کوانتومی برای تأیید ایمن مکان دستگاه ها در تنظیمات مختلف کمک کند.

نویسندگان توضیح می‌دهند: «برای مثال، مسیرهای هواپیماها و کشتی‌ها اغلب نیاز به نظارت یا کنترل توسط مقامات دارند، بنابراین ممکن است مهم باشد که مکان واقعی آنها را به جای اعتماد به مکان‌هایی که گزارش می‌کنند، تأیید کنیم.

"تجهیزات با ارزش یا حساس می‌توانند فقط در یک منطقه فیزیکی قابل اعتماد کار کنند، به طوری که دسترسی نه تنها به افرادی که از آن استفاده می‌کنند، بلکه به محل استفاده از آن نیز بستگی دارد. در تجارت از راه دور، پرداخت یا تراکنش دیگر می‌تواند به تأیید اینکه کالا به یک بندر یا انبار خاص رسیده است بستگی داشته باشد.

در نهایت، در واکنش به فاجعه، تأیید ایمن مکان یک هدف یا دستگاه می تواند به تشخیص اطلاعات مکان قابل اعتماد از گزارش های بالقوه نادرست یا دستکاری شده کمک کند.

علاوه بر ایمن سازی تأیید موقعیت در این تنظیمات، پروتکل تیم را می توان به برنامه های امنیت سایبری نیز گسترش داد. به عنوان مثال، می‌تواند به تأیید مطمئن موقعیت سرور کمک کند، به‌ویژه زمانی که کاربر در تلاش است تشخیص دهد که آیا یک سرویس راه دور واقعی است یا تقلبی.

نویسندگان می‌گویند: «در جهت مخالف، یک سرور می‌تواند موقعیت فیزیکی یک کاربر یا دستگاه را تأیید کند و از آن اطلاعات به عنوان یک عامل امنیتی اضافی برای کنترل دسترسی یا شناسایی فعالیت‌های مخرب بالقوه استفاده کند». به این ترتیب، مکان فیزیکی قابل اعتماد می تواند پیوند جدیدی بین امنیت در فضای فیزیکی و امنیت در فضای سایبری ایجاد کند.

Fan-Yuan، Wang، Yin و همکارانشان امیدوارند که کار آنها به تحقیقات مداوم در مورد سیستم های موقعیت یابی امن کوانتومی کمک کند. هدف بلندمدت تلاش‌های آن‌ها جایگزینی فناوری‌های موجود مانند GPS نیست، بلکه استفاده از پروتکل‌های کوانتومی برای ایمن‌تر کردن و فریب آن‌ها سخت‌تر است.

Fan-Yuan، Wang و Yin می‌گویند: «در نهایت، ما امیدواریم که موقعیت‌یابی کوانتومی امن بتواند به یک لایه امنیتی در سیستم‌های موقعیت‌یابی آینده تبدیل شود و به اطلاعات مکان مورد اعتماد برای پشتیبانی از امنیت در محیط‌های فیزیکی و دیجیتالی اجازه دهد.» "جهت های مختلفی وجود دارد که می خواهیم در ادامه بررسی کنیم. از نظر تجربی، فوری ترین اهداف ما فواصل راستی آزمایی طولانی تر و دقت فضایی بالاتر است."

فاصله‌ای که پروتکل تیم تأیید را ایمن می‌سازد، با از دست دادن فوتون در انتقال نوری محدود می‌شود، در حالی که دقت فضایی آن تحت تأثیر تأخیر سیستم است. بنابراین، محققان قصد دارند به بهبود تحمل تلفات پروتکل خود ادامه دهند و زمان مورد نیاز برای پردازش سیگنال‌های نوری و الکترونیکی را کاهش دهند تا امکان تأیید صحت با دقت فضایی بیشتر و در فواصل طولانی‌تر فراهم شود.

فن یوان، وانگ و یین می‌گویند: «در عین حال، پیشرفت‌های نظری بسیار جالبی در تأیید موقعیت کوانتومی وجود دارد.

پروتکل‌های جدید ممکن است به عملیات ساده‌تر، تحمل تلفات بهتر یا تأخیر پردازش کمتر اجازه دهند، و ما علاقه‌مندیم این پیشرفت‌های نظری را به سیستم‌های آزمایشی امکان‌پذیر ترجمه کنیم. همچنین می‌خواهیم سیستم را فشرده‌تر و کم‌هزینه‌تر کنیم، که اگر این فناوری در نهایت فراتر از نمایش‌های آزمایشگاهی حرکت کند، مهم خواهد بود.»

در درازمدت، فان یوان و همکارانش مایلند پتانسیل پروتکل های کوانتومی را فراتر از تأیید مکان یک سیستم بررسی کنند. تیم این حوزه تحقیقاتی را متمایز از موضوعات ثابت شده در ارتباطات کوانتومی، محاسبات، سنجش و اندازه‌شناسی می‌داند.

نویسندگان افزودند: "هدف اصلی آن استفاده از اصول فیزیکی اساسی برای ایجاد اعتماد در موقعیت و سایر اطلاعات مربوط به مکان است."

"از این نقطه شروع، ما امیدواریم که بتوانیم طیف وسیع تری از موقعیت یابی و عملکردهای امنیتی مبتنی بر مکان را در محیط های فیزیکی و شبکه ای بررسی کنیم. در حالی که هنوز راه زیادی تا تبدیل شدن این فناوری به یک فناوری عملی باقی مانده است، امیدواریم که موقعیت یابی ایمن کوانتومی بتواند به بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های موقعیت یابی آینده تبدیل شود و یک لایه امنیتی اضافی فراهم کند که به خود اطلاعات موقعیت مکانی قابل اعتماد باشد."

توسط نویسنده ما Ingrid Fadelli، ویرایش شده توسط Sadie Harley، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط رابرت ایگان برای شما نوشته شده است - این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

Guan-Jie Fan-Yuan و همکاران، تأیید موقعیت نسبیتی با حالت های منسجم، فیزیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03439-5.

روزنامه نگار آزاد با لیسانس روانشناسی و کارشناسی ارشد روزنامه نگاری بین المللی. از سال 2018 هوش مصنوعی، رباتیک، علوم اعصاب و اخترفیزیک را پوشش می دهد. نمایه کامل →

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →