क्वांटम सर्किट और कुंजी वितरण के साथ क्रिप्टोग्राफी को बढ़ाना

संभावना है कि यदि आप नवीनतम कंप्यूटिंग तकनीकों के साथ गति प्राप्त कर चुके हैं, तो आपने शायद क्वांटम कंप्यूटिंग की अवधारणा के बारे में सुना होगा। यद्यपि शब्दावली क्षेत्र को थोड़ा डराने वाला और गूढ़ बना सकती है, क्वांटम कंप्यूटिंग के सिद्धांतों और इसके अनुप्रयोगों को पर्याप्त जोखिम और अनुभव के साथ सहज स्तर पर समझा जा सकता है।

क्वांटम कंप्यूटिंग शास्त्रीय कंप्यूटरों की तुलना में काफी तेजी से गणना करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी जैसे भौतिकी के नियमों का उपयोग करती है। यह वित्तीय मॉडलिंग, अनुकूलन, क्वांटम संचार और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी जैसे हजारों संभावित अनुप्रयोगों के लिए द्वार खोलता है (जो मैं बाद में लेख में आगे गोता लगाऊंगा)। जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी का विकास जारी है, कंप्यूटर सिस्टम की बढ़ती मात्रा अंततः अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला को सक्षम करने और मौलिक भौतिक सिद्धांतों को लागू करके प्रचलित समस्याओं को हल करने के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग रणनीतियों को अपनाएगी।

इस लेख में, मैं क्वांटम सर्किट और क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का एक संक्षिप्त विवरण प्रदान करूंगा जो यह सब काम करते हैं।

विषयसूची

• क्वांटम स्टेट्स और क्यूबिट्स
• राज्य वैक्टर और बलोच क्षेत्र
• क्वांटम सर्किट
• क्वांटम गेट्स में गहरा गोता लगाना
• नमूना क्वांटम सर्किट
• क्वांटम सर्किट अनुप्रयोग
• क्वांटम क्रिप्टोग्राफी
• क्वांटम कुंजी वितरण
• QKD के पीछे यांत्रिकी
• भेद्यता उदाहरण: आरएसए
• BB84 प्रोटोकॉल
• निष्कर्ष

क्वांटम स्टेट्स और क्यूबिट्स

इससे पहले कि हम क्वांटम सर्किटरी में गहरा गोता लगाएँ, आइए जानें कि क्वांटम सर्किट किससे बने होते हैं - क्वांटम गेट्स और क्यूबिट्स।

क्यूबिट्स

शास्त्रीय कंप्यूटर जैसे कि आप शायद अभी उपयोग कर रहे हैं, सूचनाओं के परिवहन के लिए बिट्स पर निर्भर हैं। एक बिट एक ऐसी स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है जो केवल दो मानों 0 और 1 में से एक हो सकता है। बिट्स को बाइनरी बनाने के लिए एक साथ जोड़ा जा सकता है जिसका उपयोग संख्याओं से लेकर पाठ तक की किसी भी जानकारी का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, संख्या 12 को बाइनरी में 1100 द्वारा दर्शाया गया है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बाइनरी का आधार 2 है जिसका अर्थ है कि इसके संभावित मान स्लॉट 2⁰, 2¹, 2³, 2⁴ और आगे हो सकते हैं। इस अवधारणा को लागू करते हुए, 12 का बाइनरी में रूपांतरण इस प्रकार होगा…

8 4 2 1 1 1 0 0 -> 8 + 4 + 0 + 0 -> 12

हम जानते हैं कि 8 और 4 का जोड़ 12 होता है, इसलिए 8 और 4 को बाइनरी में 1 का मान दिया जाता है। दूसरी ओर, 2 और 1, 12 के उत्पादन के लिए अप्रासंगिक हैं, इसलिए इन दोनों को 0 का मान दिया जाता है। यह हमें संख्या 12 के लिए 1100 का अंतिम बाइनरी मान देता है।

हम बिट्स को समझने के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग में बिट्स के सिद्धांत को लागू कर सकते हैं। बिट्स की तरह क्यूबिट्स का उपयोग कंप्यूटर की अवस्थाओं का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जाता है, हालांकि, बिट्स के विपरीत, वे स्टेट्स के सुपरपोजिशन में मौजूद हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक साथ 0 और 1 दोनों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं। लेकिन, यह कैसे हो सकता है? एक इकाई एक ही समय में दोनों संभावित मूल्यों का प्रतिनिधित्व कैसे कर सकती है?

superposition

अध्यारोपण को और समझने के लिए, आइए एक सादृश्य का उपयोग करें। एक सिक्के को हवा में उछालने की कल्पना करें। जबकि सिक्का हवा में है, यह सुपरपोजिशन की स्थिति में है जहां सिक्का एक साथ हेड और टेल के मूल्यों का प्रतिनिधित्व करता है। हम निश्चित रूप से सिक्के के मूल्य को तभी जान सकते हैं जब यह जमीन पर गिर जाता है और इसकी सुपरपोजिशन की स्थिति ढह जाती है जिसके परिणामस्वरूप सिर या पूंछ होती है। इसी तरह, क्वांटम यांत्रिकी में, एक क्यूबिट (उर्फ एक क्वांटम बिट) एक ऐसी स्थिति में मौजूद हो सकता है जहां यह 0 और 1 के दोनों मानों का प्रतिनिधित्व करता है। हम केवल 0 या 1 में गिरने के बाद ही क्वाबिट की निश्चित स्थिति बता सकते हैं।

क्वांटम गेट्स

क्वांटम गेट्स एक सर्किट में लॉजिक गेट्स के समान होते हैं। एक लॉजिक गेट, जो शास्त्रीय और क्वांटम कंप्यूटर दोनों पर लागू होता है, एक संरचना है जो बाइनरी इनपुट (यानी 0 और 1, स्पिन-अप इलेक्ट्रॉन और स्पिन-डाउन इलेक्ट्रॉनिक्स, बिल्लियों और कुत्तों, आदि) में लेता है और एक एकल में परिणाम देता है। मूल्य (अर्थात। 1, स्पिन-अप इलेक्ट्रॉन, और एक कुत्ता) एक बूलियन फ़ंक्शन नामक प्रणाली का उपयोग करते हुए। इन फाटकों को फिर एक साथ उपयोग करके मजबूत सर्किट का निर्माण किया जा सकता है। एक बार जब आप qubits का परिचय देते हैं तो क्लासिकल गेट्स और क्वांटम गेट्स के बीच का अंतर उभर कर आता है। क्वांटम गेट्स और क्लासिकल गेट्स में क्या अंतर होता है, वे हैं सुपरपोज़िशन, रिवर्सबिलिटी और इनटेंगलमेंट। शास्त्रीय गेट्स के विपरीत, जिनके निपटान में क्वांटम यांत्रिकी नहीं है, क्वांटम गेट्स इस बारे में जानकारी बनाए रख सकते हैं कि उनके माध्यम से कौन से मूल्य गुजरते हैं, जिससे वे स्वाभाविक रूप से प्रतिवर्ती हो जाते हैं। क्वांटम गेट से गुजरने वाली हर चीज को उलटा किया जा सकता है, हालांकि शास्त्रीय गेट्स के लिए समान सिद्धांत का समर्थन नहीं किया जाता है। संक्षेप में, विशिष्ट वांछित आउटपुट में इनपुट में हेरफेर करने के लिए क्वांटम गेट का उपयोग किया जाता है।

नाज़ुक हालत

सीखने के लिए एक अंतिम महत्वपूर्ण अवधारणा उलझाव है। क्वांटम उलझाव तब होता है जब दो या दो से अधिक कणों की अवस्थाएँ आपस में जुड़ जाती हैं और अन्योन्याश्रित हो जाती हैं। यह शोधकर्ताओं को एक कण की स्थिति को दूसरे कण की स्थिति को मापकर निर्धारित करने की अनुमति देता है, भले ही उन्हें अलग करने वाली दूरी कितनी भी हो। उदाहरण के लिए, यदि स्पिन-अप और स्पिन-डाउन कण दोनों मौजूद हैं, तो आप स्पिन-अप कण की स्थिति को संदर्भित करके स्पिन-डाउन कण के विन्यास का सटीक अनुमान लगा सकते हैं। एक बार जब हम क्वांटम एल्गोरिदम में आगे देख रहे हैं, तो उलझाव महत्वपूर्ण हो जाता है, जो विशेष रूप से सुरक्षित संचार चैनलों पर निर्भर करता है।

राज्य वैक्टर और बलोच क्षेत्र

वेक्टर सिद्धांत

सदिशों के साथ राज्य के प्रतिनिधित्व में गहराई से जाने से पहले, सदिशों के कुछ प्रारंभिक ज्ञान को समझना महत्वपूर्ण है।

राज्य वैक्टर

क्वांटम भौतिकी में, राज्य वैक्टर का उपयोग सिस्टम की वर्तमान स्थिति का वर्णन करने के लिए किया जाता है। एक राज्य वेक्टर एक वेक्टर के भीतर संख्याओं के संग्रह को होस्ट करता है जहां वेक्टर में प्रत्येक तत्व में एक विशिष्ट स्थिति में होने की संभावना होती है।

एक साधारण सा उदाहरण इस प्रकार है…

ऊपर दी गई छवि एक qubit |0⟩ को दर्शाती है जो निश्चित रूप से 0 को मापने पर आउटपुट करती है। इसी तरह, वहाँ भी एक qubit होना चाहिए जो 1 द्वारा दिखाया गया आउटपुट 1⟩। हम जानते हैं कि ये दोनों राज्य परस्पर अनन्य हैं क्योंकि राज्यों के बीच कोई अभिसरण नहीं है (qubit 0 या 1 का उत्पादन करता है)। यह ऊपर ऑर्थोगोनल वैक्टर द्वारा दर्शाया गया है। हम उसी अवधारणा को नीचे दिए गए थोड़े अधिक जटिल उदाहरण पर लागू कर सकते हैं ...

ऊपर दी गई छवि (|q0⟩ द्वारा चिह्नित) केवल |0⟩ और |1⟩ की तुलना में अधिक सूक्ष्म स्थिति का वर्णन करती है। उपरोक्त qubit को निम्नलिखित के रूप में फिर से लिखा जा सकता है:

यह राज्य qubit q0 के लिए एक राज्य वेक्टर प्रदर्शित करता है जहां आउटपुट पूरी तरह से नहीं है |0⟩ या |1⟩ बल्कि आउटपुट दो का एक रैखिक संयोजन है जिसे सुपरपोजिशन के रूप में भी जाना जाता है।

बलोच क्षेत्र

एक सुपरपोज़िशन की अमूर्त घटना की कल्पना करने के लिए, क्वांटम भौतिक विज्ञानी एक गणितीय उपकरण का उपयोग करते हैं जिसे बलोच स्फीयर कहा जाता है ताकि एक कक्षा की संभावित अवस्थाओं की कल्पना की जा सके। बलोच क्षेत्र पर कोई भी बिंदु एक कक्षा के लिए एक संभावित स्थिति हो सकती है। नीचे दी गई छवि |+⟩ की अवस्था में एक कक्षा की कल्पना करती है जहां थीटा = पीआई / 2 और फी = 0

क्वांटम सर्किट

क्यूबिट्स और क्वांटम गेट्स को कार्रवाई में प्रदर्शित करने के लिए, हम एक सर्किट आरेख को देख सकते हैं जहां इनपुट बाईं ओर और आउटपुट दाईं ओर दिखाए जाते हैं। बीच में संचालन अस्पष्ट प्रतीकों द्वारा दर्शाए गए द्वार हैं। यह मानक बिट-आधारित कंप्यूटर के लिए एक विशिष्ट सर्किट है। इनपुट सिग्नल ए, बी और सी हैं जो सभी सर्किट में पारित किए जाते हैं और परिणामी सिग्नल क्यू उत्पन्न करने के लिए फाटकों द्वारा हेरफेर किए जाते हैं। यह शास्त्रीय सर्किट की कल्पना करने वाला एक शास्त्रीय सर्किट आरेख है।

क्वांटम सर्किट आरेख इस सर्किट कन्वेंशन को थोड़ा और आगे बढ़ाते हैं क्योंकि उन्हें अपनी अंतर्निहित प्रतिवर्तीता को भी ध्यान में रखना होता है। इसलिए, वे कुछ अलग दिखते हैं और शास्त्रीय सर्किट से कुछ अलग नियमों का पालन करते हैं। यहाँ एक क्वांटम सर्किट कैसा दिखता है ...

आइए इस सर्किट को इसके घटकों में विभाजित करें:

• प्रत्येक क्षैतिज रेखा (अर्थात q0, q1, और q2) एक एकल कक्षा का प्रतिनिधित्व करती है
• सबसे बाएँ अक्षर प्रत्येक qubit के नाम को दर्शाते हैं (अर्थात q0, q1, और q2)
• आरेख को स्तंभों में विभाजित किया गया है जहां प्रत्येक स्तंभ एल्गोरिथम के अनुक्रम में एक चरण का प्रतिनिधित्व करता है। आप उन्हें समय के अनुक्रमिक क्षणों के चरणों के रूप में सोच सकते हैं (जैसे संगीत में नोट्स)
• बीच के ब्लॉक क्वांटम गेट्स का प्रतिनिधित्व करते हैं जो कि क्यूबिट्स पर संचालन करते हैं

क्वांटम सर्किट और क्लासिकल सर्किट के बीच मुख्य अंतर यह है कि क्वांटम सर्किट सीधे क्षैतिज रेखाओं में प्रदर्शित क्यूबिट्स को दिखाता है जबकि क्वांटम गेट्स में समान मात्रा में इनपुट और आउटपुट क्यूबिट्स होते हैं जबकि क्लासिकल सर्किट में बिट लाइनें होती हैं जो विभिन्न दिशाओं में जा सकती हैं।

क्वांटम गेट्स में गहरा गोता लगाना

पाउली एक्स-गेट

पाउली एक्स-गेट क्वांटम गेट्स की आंतरिक कार्यप्रणाली का एक सरल परिचय प्रदान करता है। इसका उद्देश्य बहुत सरल है: निषेध। क्लासिकल नॉट गेट के समान, पाउली एक्स-गेट क्वबिट की स्थिति को उसके विपरीत मान पर फ़्लिप करता है जिसे नीचे दी गई सत्य तालिका द्वारा रेखांकित किया गया है। भौतिक दुनिया के लिए लागू, एक्स-गेट का कार्य इलेक्ट्रॉन की स्पिन-अप स्थिति को स्पिन-डाउन स्थिति में बदल देता है और इसके विपरीत।
|0> → |1> या |1> → |0>

पाउली वाई-गेट और जेड-गेट

इसी तरह एक्स-गेट के लिए, पाउली वाई-गेट एक सिंगल क्यूबिट ऑपरेशन है जो धर्मान्तरित करता है:

|0＞ → -i|1＞ AND |1＞ → i|0＞

यह बलोच क्षेत्र पर Y- अक्ष के चारों ओर कक्षा को घुमाकर दिखाया जा सकता है।

पाउली जेड-गेट भी एक सिंगल क्यूबिट ऑपरेशन है जो मैप करता है |1＞ → -|1＞ और बदलता नहीं है |0＞। जेड-गेट ऑपरेशन को पीआई रेडियंस द्वारा बलोच क्षेत्र के जेड-अक्ष के बारे में घूर्णन द्वारा देखा जा सकता है।

पाउली एक्स, वाई, और जेड गेट्स के बलोच क्षेत्र का प्रतिनिधित्व

हैडमार्ड गेट

हैडमार्ड गेट क्वांटम कंप्यूटिंग में इस्तेमाल होने वाला सबसे सर्वव्यापी गेट है। यह एक सिंगल क्यूबिट ऑपरेशन है जिसके परिणामस्वरूप निम्नलिखित मैपिंग होती है:

∣0＞ → (|0＞ + |1＞)/√2 और ∣1＞ → ( |0＞ — |1＞)/√2

यह दो बुनियादी qubit राज्यों का एक समान सुपरपोज़िशन बनाता है जिसका अर्थ है कि राज्य में 1 या 0 होने की समान संभावना होगी।

नियंत्रित गेट्स

एक नियंत्रित गेट एक 2+ qubit ऑपरेशन है जहां एक qubit पर कुछ ऑपरेशन के लिए एक से अधिक qubit एक नियंत्रण के रूप में कार्य कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, CX, CY और CZ गेट्स।

नियंत्रित एक्स गेट

नियंत्रित एक्स-गेट, जिसे सीएक्स गेट के रूप में भी जाना जाता है, 2 क्विबिट्स पर कार्य करता है और दूसरी क्विबिट पर नॉट ऑपरेशंस करता है, जब पहली क्विबिट अवस्था |1> होती है।

अन्य गेट्स

और भी बहुत से फाटक हैं जो उस दायरे से बाहर हैं जिसे इस लेख में शामिल किया जा सकता है। यदि आप अन्य क्वांटम गेट्स और उनकी कार्यक्षमताओं पर गहराई से नज़र डालना चाहते हैं, तो मैं Qiskit द्वारा क्वांटम ऑपरेशंस और गेट्स के इस सारांश को देखने की सलाह दूंगा।

क्वांटम सर्किट का उदाहरण

आइए नीचे दिए गए इस उदाहरण सर्किट का विश्लेषण करने के लिए इसे लागू करके क्वांटम सर्किट के बारे में अपना ज्ञान आगे बढ़ाएं ...

यह उदाहरण सर्किट एक उलझी हुई अवस्था बनाने के लिए दो हैडमार्ड गेट्स और एक CNOT (उर्फ CX) गेट का उपयोग करता है।

प्रारंभ में, दो हैडमर्ड गेट्स को लागू करने से एक सुपरपोज़िशन स्टेट बनता है, फिर हम सीएक्स गेट लगाते हैं। कक्षा की प्रारंभिक अवस्था |0⟩ है।

जब हम उस राज्य को हैडमार्ड गेट से गुजरते हैं, तो यह आउटपुट होता है |+⟩। चूंकि हमारे पास इस सर्किट में दो हैडमार्ड गेट हैं, इसलिए हमें दो मानों का टेन्सर उत्पाद मिलता है जो कि |+⟩ ⊗ |+⟩ है। इसका परिणाम |00⟩ + |01⟩ + |10⟩ + |11⟩ के आउटपुट में होता है क्योंकि सीएक्स गेट लगाने से इस मामले में कुछ नहीं होता है।

इस सर्किट को संचालित करने के बाद, समान संभावनाओं के साथ आउटपुट 4 चरण होना चाहिए।

यदि हम बलोच क्षेत्र का उपयोग करके प्रत्येक कक्षा के लिए राज्य वेक्टर की कल्पना करते हैं, तो हम देख सकते हैं कि हैडमार्ड गेट को प्रत्येक कक्षा में लगाने से Z(|0⟩, |1⟩) से X आधार पर स्विच हो जाता है, और सीएक्स गेट ने कुछ भी नहीं बदला जैसा कि नीचे दी गई तस्वीर में दिखाया गया है...

क्वांटम सर्किट अनुप्रयोग

क्वांटम सर्किट में क्वांटम सिमुलेशन सहित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है जो क्वांटम सिस्टम के व्यवहार का अनुकरण करती है जैसे अद्वितीय गुणों के साथ सामग्रियों के व्यवहार को मॉडलिंग करना, वित्त से रसद तक विस्तृत क्षेत्रों में जटिल अनुकूलन समस्याओं को हल करना और मशीन लर्निंग एल्गोरिदम जैसे कि छवि और ऑडियो पहचान, और क्रिप्टोग्राफी जैसे साइबर सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है।

क्वांटम क्रिप्टोग्राफी

अब हम क्वांटम यांत्रिकी के अपने ज्ञान को यह समझने के लिए लागू कर सकते हैं कि संचार की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए इसे कैसे नियोजित किया जा सकता है। क्वांटम क्रिप्टोग्राफी संदेशों को एन्क्रिप्ट और डिक्रिप्ट करने के लिए उनके बीच एन्क्रिप्शन कुंजियों का आदान-प्रदान करके दो पक्षों के बीच संचार के लिए एक सुरक्षित चैनल की अनुमति देता है। पारंपरिक क्रिप्टोग्राफ़िक प्रणालियाँ जो शास्त्रीय कंप्यूटिंग तकनीकों पर निर्भर करती हैं, गणितीय सिद्धांतों पर स्थापित होती हैं जिन्हें शक्तिशाली कंप्यूटरों द्वारा जल्दी से तोड़ा और डिक्रिप्ट किया जा सकता है। क्वांटम क्रिप्टोग्राफी क्वांटम यांत्रिकी के अनिश्चितता सिद्धांत का उपयोग करके इस समस्या को हल करती है, जिससे एक प्रच्छन्न व्यक्ति के लिए दो पक्षों के बीच संचार का पता लगाए बिना अवरोधन करना असंभव हो जाता है।

क्वांटम कुंजी वितरण

क्वांटम क्रिप्टोग्राफी को लागू करने वाला एक प्रोटोकॉल क्वांटम कुंजी वितरण (उर्फ क्यूकेडी) है। यह क्वांटम क्रिप्टोग्राफी की सबसे व्यापक रूप से अध्ययन की जाने वाली विधि है। QKD एक कुंजी के रूप में ज्ञात एक यादृच्छिक अनुक्रम द्वारा दर्शाए गए रहस्य को प्रसारित करने के लिए फोटॉन की एक श्रृंखला का उपयोग करता है। ऐसा करने से, हम पता लगा सकते हैं कि ट्रांसमिशन के प्रत्येक छोर पर मानों की तुलना करके कुंजी से समझौता किया गया है। शास्त्रीय संगणना प्रणाली जैसे टेलीफोन लाइन के साथ, "सुनकर" एक गुप्त कोड को रोकना संभव है।

हालाँकि, QKD के साथ ऐसा करने का कोई संभव तरीका नहीं है क्योंकि क्वांटम एन्क्रिप्टेड कुंजी का निरीक्षण करने का कोई भी प्रयास ट्रांसमिशन के माध्यम से गुजरने वाले फोटॉनों को अंत में एक अलग मूल्य के लिए बाधित करेगा। आइए इस घटना को प्रदर्शित करने के लिए नीचे दी गई छवि देखें। ऐलिस और बॉब दोनों एक दूसरे के साथ एक गुप्त कुंजी का आदान-प्रदान करना चाहते हैं, लेकिन वे ईव को उनके द्वारा भेजे गए संदेशों में तांक-झांक करने से भी बचना चाहते हैं। QKD का उपयोग करके, ऐलिस विशिष्ट क्वांटम अवस्थाओं में फोटॉन संचारित करके बॉब को सुरक्षित संदेश भेजने में सक्षम है। ऐलिस द्वारा उनके राज्य को समझने के लिए भेजे गए प्रत्येक फोटोन को मापकर बॉब संदेश को डिक्रिप्ट करने में सक्षम है।

अनिश्चितता का सिद्धांत हमें बताता है कि किसी कण की क्वांटम स्थिति पर किया गया कोई भी माप अनिश्चित काल तक उसकी स्थिति को बदल देगा। QKD में, इसे एक सुरक्षात्मक तंत्र के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि यदि ईव ऐलिस द्वारा बॉब को भेजे गए क्वांटम कणों को मापने की कोशिश करता है, तो कण अवस्थाएं उसकी उपस्थिति को ज्ञात करते हुए बदल जाएंगी। इसके अलावा, अगर ईव ट्रांसमिशन के दौरान भेजे गए कणों को गुप्त रूप से कॉपी करने की कोशिश करता है, तो वह "नो-क्लोनिंग प्रमेय" के लिए धन्यवाद करने में असमर्थ होगी। यह प्रणाली ऐलिस और बॉब दोनों को गुप्त कुंजियों को प्रसारित करने का एक तरीका प्रदान करती है, जिसे एक बार के पैड के रूप में भी जाना जाता है, जो बिना व्यामोह के व्यामोह के रूप में जाना जाता है, जो कि ईव उनके संदेशों पर तांक-झांक कर सकता है।

QKD कई अलग-अलग प्रोटोकॉल का समर्थन करता है। कुछ में सिंगल फोटॉन QKD शामिल है जो ऐलिस और बॉब के बीच सूचना प्रसारित करने के लिए एक फोटॉन का उपयोग करता है, कमजोर-सुसंगत लेजर पल्स QKD जो फोटॉन स्थिति भेजने के लिए कमजोर लेजर दालों का उपयोग करता है, और उलझा हुआ फोटॉन QKD जो ऐलिस और बॉब को उलझे हुए फोटॉन स्रोतों के जोड़े भेजता है।

QKD के पीछे यांत्रिकी

भौतिक क्वांटम चैनल जिसमें QKD होता है, विभिन्न प्रकार की भौतिक प्रणालियों जैसे फोटॉन, आयन या सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करता है। फोटॉन-आधारित क्यूकेडी के लिए, सर्किट आमतौर पर सिंगल फोटॉन, एक बीम स्प्लिटर, दो ध्रुवीकरण फिल्टर और दो सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरों के स्रोत का उपयोग करता है।

सर्किट का निर्माण इसलिए किया जाता है ताकि जब ऐलिस बॉब को एक यादृच्छिक ध्रुवीकरण स्थिति के साथ एकल फोटॉनों का एक क्रम भेजता है, तो बॉब यादृच्छिक रूप से दो ध्रुवता वाले राज्यों के बीच उन फोटॉनों को मापता है जो अंतिम कुंजी बिट मान निर्धारित करते हैं। एक बार सभी फोटॉनों को मापने के बाद, ऐलिस और बॉब किसी भी छिपे हुए प्रयासों का पता लगाने के लिए शास्त्रीय चैनल का उपयोग करके अपने प्रत्येक परिणाम के सबसेट की तुलना कर सकते हैं।

भेद्यता उदाहरण: आरएसए

RSA (उर्फ रिवेस्ट-शमीर-एडलमैन) क्रिप्टोग्राफ़िक एल्गोरिथम सार्वजनिक चैनलों पर संचार को सुरक्षित करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला प्रोटोकॉल है। हालाँकि, क्वांटम कंप्यूटरों ने एल्गोरिथ्म में एक अंतर्निहित भेद्यता पेश की, जो यह थी कि यह बड़ी संख्या में फैक्टर के लिए क्लासिकल कंप्यूटिंग सिस्टम की अक्षमता पर निर्भर थी।

इस भेद्यता के जवाब में, सुरक्षा शोधकर्ताओं ने क्वांटम-सेफ आरएसए (उर्फ क्यूएस-आरएसए) जैसे कई क्वांटम-प्रतिरोधी एल्गोरिदम विकसित किए हैं। क्यूएस-आरएसए आरएसए का एक संशोधित संस्करण है जो पारंपरिक आरएसए एन्क्रिप्शन/डिक्रिप्शन कार्यक्षमताओं को बनाए रखते हुए सार्वजनिक और निजी कुंजी उत्पन्न करने के लिए वैकल्पिक क्वांटम-सुरक्षित गणितीय फ़ंक्शन का उपयोग करता है।

BB84 प्रोटोकॉल

एक अन्य क्वांटम-सुरक्षित क्रिप्टोग्राफ़िक प्रोटोकॉल BB84 है। BB84 प्रोटोकॉल के लिए, हम बाइनरी 0 को रेक्टिलाइनियर आधार पर 0° या विकर्ण आधार पर 45° पर कॉन्फ़िगर करने के लिए परिभाषित करते हैं। इसी तरह, बाइनरी 1 को रेक्टिलिनियर आधार पर 90° या विकर्ण आधार पर 135° द्वारा दर्शाया जाता है।

सबसे पहले, ऐलिस समान लंबाई के बिट्स और बेस (या तो सीधा या विकर्ण) की एक स्ट्रिंग का बेतरतीब ढंग से चयन करके क्वांटम चैनल के माध्यम से सूचना भेजता है। इसके बाद, स्ट्रिंग के प्रत्येक बिट को पुनरावृत्त किया जाएगा और ऐलिस उसी ध्रुवीकरण के एक फोटॉन को चैनल के माध्यम से बॉब तक पहुंचाता है। एक बार जब बॉब फोटॉनों को प्राप्त कर लेता है, तो वह अपनी ध्रुवीयता को मापने के लिए प्रत्येक फोटॉन के लिए बेतरतीब ढंग से एक आधार चुनता है। यदि वह जो ध्रुवीयता चुनता है वह ऐलिस द्वारा भेजे गए मेल से मेल खाती है, तो वह ऐलिस द्वारा भेजे गए बिट को सही ढंग से खोज लेगा। यदि ऐलिस द्वारा भेजे गए बिट से मेल नहीं खाता है, तो बॉब को एक यादृच्छिक बिट सौंपा जाएगा।

दूसरे, ऐलिस और बॉब ऐलिस द्वारा भेजे गए फोटॉन को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले आधारों को संप्रेषित करने के लिए एक सार्वजनिक चैनल पर संवाद करते हैं। फिर, ऐलिस बॉब को वापस भेजता है आधार बॉब एन्कोडेड बिट्स के लिए सही ढंग से अनुमान लगाने में सक्षम था। बाद में, ऐलिस और बॉब दोनों अलग-अलग आधारों पर एन्कोडेड और मापी गई बिट्स को हटाते हैं जिसके परिणामस्वरूप एक समान बिट-स्ट्रिंग को स्थानांतरित कुंजी कहा जाता है।

यह जांचने के लिए कि क्या कोई सूचना प्रसारण (अहम ईव) पर तांक-झांक कर रहा है, ऐलिस और बॉब शिफ्ट की गई कुंजी के कुछ बिट्स का आदान-प्रदान कर सकते हैं जो कि मेल खाने वाले हैं। यदि कोई भी एक्सचेंज किया गया बिट मेल नहीं खाता है, तो हम यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि ईव ट्रांसमिशन पर सुन रहा था। नीचे दी गई छवि एक उदाहरण दिखाती है जहां ईव बॉब और ऐलिस के बीच प्रसारण की निगरानी कर रहा था। भले ही ऐलिस और बॉब दोनों के छह मेल खाने वाले आधार थे, उनमें से केवल एक आधार ईव की उपस्थिति का खुलासा करता है। यह ऐलिस और बॉब को अपने संचार जारी रखने के लिए दूसरे क्वांटम चैनल पर वापस जाने का कारण बनेगा।

निष्कर्ष

कुल मिलाकर, यह लेख क्वांटम कंप्यूटिंग के पीछे आने वाली प्रौद्योगिकियों में एक छोटी सी झलक प्रदान करता है। मुझे उम्मीद है कि प्रदान किए गए उदाहरण और विवरण क्वांटम यांत्रिकी की कुछ अवधारणाओं को स्पष्ट करने में मदद करेंगे: क्वांटम सर्किटी, उलझाव, सुपरपोजिशन, पाउली वाई-गेट जैसे क्वांटम गेट्स, और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी एल्गोरिदम और क्यूएस-आरएसए और बीबी84 जैसे प्रोटोकॉल। क्वांटम यांत्रिकी ने संचार चैनलों को सुरक्षित करने के लिए अधिक प्रभावी तरीके प्रदान करके क्रिप्टोग्राफी में क्रांति ला दी है। यह स्पष्ट है कि साइबर सुरक्षा-विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए क्वांटम यांत्रिकी को लागू करने से आने वाले वर्षों में हमारे संचार करने और हमारे डेटा को सुरक्षित रखने के तरीकों में परिवर्तन जारी रहेगा।