تجارب الكم بمقياس فضائي

تجارب الكم بمقياس فضائي
Quantum Experiments at Space Scale

طبيعة المهمة	شارح التقنية
المشغل	الأكاديمية الصينية للعلوم
COSPAR ID	2016-051A
مدة المهمة	2 سنة (مزمعة)
خصائص المركبة الفضائية
المصنع	الأكاديمية الصينية للعلوم
بداية المهمة
تاريخ الإطلاق	17:40 UTC، 16 أغسطس 2016
الصاروخ	لونگ مارس 2دي
موقع الإطلاق	جي‌تشوان LA-4
المقاول	أكاديمية شنغهاي لتكنولوجيا رحلات الفضاء
المتغيرات المدارية
النظام	المدار المتمركز حول الشمس
Perigee	488 كم
Apogee	584 كم
الميل	97.4 درجة
المرسِلات
الحزمة	الأشعة الفوق بنفسجية
الأجهزة
مقياس التداخل سانياك

تجارب الكم بمقياس فضائي (QUESS؛ صينية: 量子科学实验卫星؛ پن‌ين: Liàngzǐ kēxué shíyàn wèixīng؛ حرفياً: 'Quantum Science Experiment Satellite'�)، هو مشروع بحثي دولي في مجال فيزياء الكم.

تيان‌گونگ-2 هو ثاني معمل فضائي صيني، أُطلق في 15 سبتمبر 2016. يتولى تيان‌گونگ-2 14 مهمة ومجموعة تجارب بصفة إجمالية، منها توزيع المفاتيح الكمي الأرضي-الفضائي (صينية: 量子密钥分发�) وتجربة اتصالات الليزر لتيسير الاتصال الكمي من الفضاء إلى الأرض.

الساتل، المسمى ميكيوس Micius أو موزي Mozi (صينية: 墨子�) على اسم الفيلسوف والعالم الصيني القديم، تشغله الأكاديمية الصينية للعلوم، بالإضافة لمحطات أرضية في الصين. جامعة ڤيينا والأكاديمية النمساوية للعلوم تشغل محطات استقابل الساتل الأوروپية.

كويس QUESS، هي مهمة لإثبات المفهوم مصممة لتيسير تجارب بصريات الكم على المسافات الطويلة لتطوير تقنية تشفير الكم والانتقال الآني الكمي. يستخدم التشفير الكمي مبادئ التشابك لتيسير الاتصالات التي تكون آمنة تماماً ضد التنصت، ناهيك عن فك الشفرات، من طرف ثالث. بإنتاج زوجين من الفوتونات المتشابكة، سيسمح كويس للمحطات الأرضية التي تفصل بينها آلاف الكيلومترات بإنشاء قنوات كم آمنة. يتمتع كويس نفسه بقدرات اتصالات محدودة: يحتاج خط إبصار، ولا يمكنه العمل إلا في ضوء الشمس.

نجح كويس في تحقيق أهدافه. سيتبعه المزيد من سواتل ميكيوس، التي ستسمح بخلق شبكة أوروپية-آسيوية مشفرة كمومياً بحلول 2020، وشبكة عالمية بحلول 2030.

كان إجمالي تكاليف المهمة 100 مليون دولار تقريباً.

في 29 سبتمبر، 2017، استخدم القمر الاصطناعي بنجاح في إجراء اتصال فيديو مشفر كموميًّا بين رئيس أكاديمية العلوم الصينية تشن لي باي ونظيره النمساوي أنطون تسايلينجر.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المهمة

تشينگ‌لونگ

أورومجي

آلي

ڤيينا

class=notpageimage|

السواتل الأرضية.

 توزيع المفاتيح الآمنة

المقالة الرئيسية: التوزيع المفتاح الكمي

الأداة الرئيسية في ساتل كويس هي جهاز لقياس التداخل يعتمد على تأثير سانياك. هذا الجهاز يمكنه توليد أزواج من الفوتونات المتشابكة التي يمكن إرسالها إلى الأرض. وسيسمح هذا للقمر الاصطناعي بتنفيذ عملية توزيع للمفتاح الكمي لمحطتين أرضيتين. في عملية توزيع المفتاح الكمي، يتشارك الطرفان المتصلان مفتاحًا سريًّا عشوائيًّا مرسل باستخدام أزواج من الفوتونات المتشابكة باستقطاب عشوائي، ويتلقى كل طرف نصف الزوج المرسل. هذا المفتاح السري يُستخدم كلوحة مرة واحدة ليسمح للطرفين بالاتصال بأمان عبر قناة اتصال تقليدية. كل محاولة للتنصت على عملية إرسال واستقبال المفتاح ستحدث تغيرًا في حالة الاشتباك بين الفوتونات في صورة يمكن رصدها. وقد جرت في السابق عملية توزيع المفتاح الكمي على الأرض، وذلك بين مرصدين يقعان على نفس خط البصر، وعن طريق الألياف الضوئية الناقلة للفوتونات. إلا أن الألياف الضوئية والجو يسببان تشتتًا يدمر حالة الاشتباك بين الفوتونات، وهو ما يحد من المسافة التي يمكن عبرها تنفيذ توزيع المفتاح الكمي. وفي حالة إرسال المفاتيح الكمية من أقمار اصطناعية في المدار يكون التشتت أقل، وهو ما يسمح بتنفيذ عملية توزيع المفتاح الكمي على مسافات أبعد.

 تجربة الاتصال الآمنة 2018

يتيح التشفير الكمي إجراء الاتصالات بأسلوب يضمن أمن البيانات المتبادلة، وذلك بفضل قوانين الفيزياء، وقد اصبح يتسم بالأهمية بصورة متزايدة.

فقد عرف الفيزيائيون من زمن طويل أن الحواسيب الكمومية ستتمكن من كسر جميع أنواع التشفير الأخرى تقريباً. ونظراً لأن قدرات هذه الأجهزة تزداد يوماً بعد يوم، فإن مصير أساليب التشفير التقليدية لم يعد غامضاً، ولذلك فإن كلاً من الشركات التجارية والحكومات والمؤسسات العسكرية تنتظر بفارغ الصبر أن يتم تطوير أنظمة للتشفير الكمي.

إلا أن ثمة مشكلة، فالتشفير الكمي يعتمد على الفوتونات كل على حدة في حمل المعلومات الكمية، ولكن حتى أفضل أنواع الألياف الضوئية لا يمكنه أن يحمل هذه الفوتونات سوى مسافات معينة- حوالي 200 كيلومتر- قبل أن يؤدي امتصاص الضوء إلى إستحالة تنفيذ العملية، ولذلك فإن التشفير الكمي لم يتم تطبيقه بنجاح من قبل على مسافات شاسعة أكثر من ذلك.

ولكن ذلك بدأ يتغير اليوم بفضل القمر الصناعي الصيني الاستثنائي الذي تم إطلاقه في 2016؛ فقد حقق القمر الصناعي ميسيوس عدداً من الإنجازات البارزة منذ عام تقريبا، وذلك منذ أن باشر عمله، وفي الصيف الماضي، تمكن من نقل أول غرض من الأرض إلى المدار بشكل آني، وقد كان فوتوناً واحداً.

ومع نهاية يناير 2018، تمكن هذا القمر الصناعي من إعداد أول خدمة للتشفير الكمي بين القارات، وقد اختبر الباحثون النظام من خلال إقامة إجتماع مرئي آمن بين أوروپا والصين، وبذلك تمكنت قوات الفيزياء- ولأول مرة- من أن تكفل أمن هذا الإجتماع المرئي. طريقة العمل بسيطة؛ حيث يعتمد التشفير الكمي على ما يسمى: لوحة المرة الواحدة One-time pad لضمان الخصوصية، وهي مجموعة من الأعداد العشوائية- أي مفتاح-، يمكن إستخدامها من قبل طرفي إتصال في ترميز وفك ترميز الرسائل.

وعادة ما تكمن مشكلة لوحات المرة الواحدة في ضمان أنه لا أحد يمتلكها سوى المرسل والمستقبل فقط، فكيف يمكن لكلا الطرفين التأكد من عدم قيام أي متنصت بنسخ المفتاح أثناء توزيعه بينهما؟

يتم حل هذه المشكلة بشكل دقيق عن طريق إرسال المفتاح بإستخدام جسيمات كمومية مثل الفوتونات؛ نظراً لأن من الممكن على الدوام معرفة ما إذا كان الجسيم الكمي قد تم رصده سابقاً، وإن كان قد تم رصده، فحينئذ يتم التخلي عن المفتاح ويتم إرسال مفتاح آخر إلى أن يتأكد كلا الطرفين من أن لوحة المرة الواحدة التي في حوزته لم تتعرض للرصد.

هذه هي عملية توزيع المفتاح الكمي، وهي عملية حاسمة تشكل جزءاً جوهرياً من التشفير الكمي، وبعد أن يصبح المفتاح –لوحة المرة الواحدة-، في حوزة كلا الطرفين، يمكنهما التواصل عبر القنوات الكلاسيكية المعتادة بأمان تام.

ويقوم القمر الصناعي ميسيوس- ببساطة-، بتوزيع هذا المفتاح إنطلاقاً من المدار، وبما أنه يقع في مدار متزامن مع حركة الشمس فوق القطبين، فهو يمر فوق كافة أجزاء سطح الأرض بنفس التوقيت المحلي تقريباً كل يوم.

ولذلك عندما يكون القمر الصناعي هذا فوق المحطة الأرضية الواقعة في مقاطعة شينغلونغ شمالي إقليم خيبي في الصين، فإنه يرسل لوحة المرة الواحدة إلى الأرض، مرمزة بفوتونات مفردة بإستخدام بروتوكول اتصال مستقر. وعندما تدور الأرض أسفل القمر الصناعي، ومع بروز المحطة الأرضية الواقعة في مدينة جراتس في النمسا أسفل منه، يرسل ميسوس لوحة المرة الواحدة ذاتها إلى الطرف المستقبل الواقع هناك.

وبذلك أصبح في حوزة كلا المحطتين المفتاح ذاته الذي يسمح لهما بإجراء اتصالات آمنة تماماً عبر أي من قنوات الاتصال الكلاسيكية.

ومع ذلك، فإن التجربة تذهب إلى ما هو أبعد من ذلك، فقد كان الهدف هو إقامة اجتماع مرئي بين الأكاديمية الصينية للعلوم في بكين، والأكاديمية النمساوية للعلوم في ڤيينا، ولذلك يجب توزيع المفتاح بشكل آمن بين كلا هذين الموقعين. ومن أجل ذلك استخدم الفريقان اتصالاً كمومياً أرضياً عبر الألياف الضوئية.

وفي نهاية المطاف، قاموا بإعداد قناة إتصال فيديوية تم تأمينها بإستخدام معيار التشفير المتقدم (AES)، يتم تحديثها كل ثانية بإستخدام رموز إبتدائية بطول 128 بت، وفي سبتمبر 2017، تمكن الفريقان من إجراء إجتماع مرئي رائد من نوعه استمر لمدة 75 دقيقة، مع تبادل للبيانات بلغ حجمه 2 جيجا بايت تقريباً.

يقول الفريقان: (كان الأول بقيادة أنطون تسايلينجر في جامعة ڤيينا، والثاني بقيادة پان جيان‌وِيْ في الجامعة الصينية للعلوم والتكنولوجيا في مدينة خفي في الصين): "لقد أثبتنا عملياً إمكانية الاتصال الكمي العابر للقارات بين عدة مواقع على سطح الارض، مع مسافات فاصلة بلغ أقصاها 7.600 كيلومتر".

لكن هناك عدد من نقاط الضعف المحتملة التي ينبغي العمل عليها في النظام مستقبلاً، ولعل أكثرها أهمية هي أن القمر الصناعي يتم إعتباره آمناً خلال الوقت الذي يستغرقه للاتصال بكلتا المحطتين الأرضيتين. وقد يكون ذلك صحيحاً – فمن ذا الذي يستطيع اختراق قمر صناعي يحلق في مداره؟- ولكن هذا الجانب الأمني ليس مضموناً بموجب القوانين الفيزيائية. ومع ذلك يقول الفريقان أن هذا الأمر يمكن معالجته في عمليات التصميم المستقبلية بإستخدام دارة ترحيل كمومية بين طريفي الاتصال.

وأياً كانت أوجه القصور فيما تم تجريبه، فإن هذا العمل مثير للإعجاب بلا شك، فهو تجربة عملية أثبتت صحة المبدأ العملي في إجراء اتصالات آمنة على نطاق عالمي. ويقول زيلينجر وجيان وي وزملاؤهما: "يقترح عملنا حلاً فعالاً لإنشاء شبكة عالمية مترامية الأطراف، مما يضع حجر الأساس لإنشاء شبكة إنترنت كمومية في المستقبل".

وتتوق الكثير من الحكومات والجهات العسكرية العاملة والشركات التجارية إلى الحصول على قدرات مماثلة، ولذلك من المؤكد أنه لن يمر وقت طويل قبل أن تبدأ الإصدارات التجارية من القمر الصناعي ميسيوس ببيع هذا النوع من الإتصالات الآمنة حول العالم، مع اضطلاع الصين بدور ريادي لهذا الإتجاه.

 تحليل

الساتل كويس هو أول مركبة فضائية قادرة على توليد الفوتونات المتشابكة في الفضاء، مع أن إرسال الفوتونات المتشابكة بواسطة الأقمار الاصطناعية قد جرى قبل ذلك بواسطة الفوتونات المنعكسة المولدة في محطات أرضية. وقد تمكنت الجامعة الوطنية في سنغافورة وجامعة ستراثكلايد من توليد فوتونات مترابطة، لكنها غير متشابكة، وذلك بقمر اصطناعي من نوع كيوب‌سات.

 انظر أيضاً

• برنامج الفضاء الصيني
• المعلومات الكمية
  • التشفير الكمي
  • الحوسبة الكمية

 وصلات خارجية

• QUESS Launching(Chinese)
• 3Cat-2 Satellite web site at Polytechnic University of Catalonia