അരമന രഹസ്യം അങ്ങാടിക്കാർക്ക് കൊടുക്കാത്ത ഫോട്ടോൺ പ്രാവുകൾ

Read Time:16 Minute

ഡോ. വെങ്കിടേഷ് തൃത്താമര രങ്കനാഥൻ

Medical Physics Assistant

Cape Breton Cancer Center, Nova Scotia Health Authorities Sydney Canada

ഒരു കാലത്ത് വീടുകളിൽ നിറഞ്ഞു നിന്ന ടിവി, ഇന്ന് ഗതകാലസ്മരണകളിൽ മാത്രം. ടെക്നോളജി തരംഗം നമ്മുടെ ജീവിതമാകെ മാറ്റി മറിച്ചു. കഥ ഇത് കൊണ്ട് തീർന്നോ? ഇല്ല, തുടങ്ങിയിട്ടേ ഉള്ളു. ഇന്ന് ജനജീവിതത്തിലേക്ക് ഇതുപോലെ പടർന്നു കയറികൊണ്ട് ഇരിക്കുന്ന മറ്റൊരു ശാസ്ത്രമേഖലയാണ് ക്വാണ്ടം കംപ്യൂട്ടിംഗ്. ഇതുമായി ബന്ധപെട്ടു മുൻപ് ലൂക്കയിൽ വന്ന ലേഖനങ്ങൾ വായിക്കുമല്ലോ? ഇവിടെ ക്വാണ്ടം ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫിക്ക് ഒരു ആമുഖം നൽകുന്നു.

വാർത്താവിനിമയത്തിന്റെ രഹസ്യ സ്വഭാവം നിലനിർത്തുന്നതിന് അനുയോജ്യമായ സാങ്കേതിക വിദ്യ ആവശ്യമാണ്. സന്ദേശം അയച്ച വ്യക്തിക്കും അത് സ്വീകരിക്കുന്ന വ്യക്തിക്കും ഇടയിൽ മറ്റൊരാൾക്കും അയച്ച സന്ദേശങ്ങൾ ചോർത്താൻ സാധിക്കരുത്. പണ്ടൊക്കെ BSNL ലാൻഡ്‌ലൈൻ ഫോൺ കാൾ എടുത്താൽ ചിലപ്പോൾ അടുത്ത വീട്ടുകാർ മറ്റുള്ളവരോട് സംസാരിക്കുന്നത് കേൾക്കാൻ പറ്റും. വാർത്താ വിനിമയത്തിന്റെ രഹസ്യ സ്വഭാവം നിലനിർത്താൻ പറ്റാത്ത സാങ്കേതിക പ്രശ്നങ്ങളാണ് ഇതിനു പിന്നിൽ. ഇന്ത്യയിൽ 300 ൽ പരം ബാങ്കിങ് സൈബർ ആക്രമണങ്ങള്‍ നടന്നിട്ടുണ്ട് എന്നാണ് റിസർവ് ബാങ്ക് ഓഫ് ഇന്ത്യ 2024 ൽ ഇറക്കിയ ഫിനാൻഷ്യൽ സ്റ്റെബിലിറ്റി റിപ്പോർട്ടിൽ പരാമർശിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ളത്. ന്യൂഫൗണ്ട്ലൻഡ് ഈസ്റ്റേൺ ഹെൽത്തും, നോവ സ്കോഷ്യ പവർ കോർപറേഷനും ഒക്കെ ഇൻഫർമേഷൻ അറ്റാക്ക് നേരിട്ടിട്ടുണ്ട്. അത് സാധാരണ ജനജീവിതത്തെ സാരമായി ബാധിക്കുകയും ചെയ്തു. ഇൻഫർമേഷൻ അറ്റാക്കിനെ തുടർന്ന്, നോവ സ്കോഷ്യയിൽ വൈദ്യുതി ബിൽ പെയ്‌മെന്റ് പോർട്ടൽ അക്സസ്സ് ചെയ്യാനും ബിൽ പെയ്‌മെന്റ് ചെയ്യാനും പറ്റാത്ത അവസ്ഥ ചില ഉപഭോക്താക്കൾ നേരിട്ടു. ഒന്നിച്ചു തുക ഭാവിയിൽ അടക്കേണ്ടി വരുമെന്ന ഭീതി ജനങ്ങളിൽ സംജാതമായി. ഇത്തരം സംഭവങ്ങളോടെ അതീവ രഹസ്യ പ്രാധാന്യമുള്ള സന്ദേശങ്ങൾ സുരക്ഷിതമായി വിനിമയിക്കപ്പെടണം എന്ന ആവശ്യം അനിവാര്യമായി മാറി. എന്താണ് പോം വഴി? നമ്മുടെ ക്വാണ്ടം കംപ്യൂട്ടിങ്ങ്.

ആദ്യം ഈ ക്വാണ്ടം സ്വരൂപങ്ങളുടെ സ്വാഭാവം നമുക്ക് ഒന്ന് മനസിലാക്കാൻ ശ്രമിക്കാം. ഒരാൾ നമ്മളെ ദേഷ്യപ്പെടുത്തിയിട്ട് ക്ഷമ ചോദിച്ചാൽ നമ്മുടെ മാനസികാവസ്ഥ ഒരേ സമയം പല നിലകളിൽ ആയിരിക്കും. ഒരു വശത്ത് വിട്ടുമാറാത്ത ദേഷ്യം, മറുഭാഗത്ത് പാവം പോട്ടെ എന്ന തോന്നൽ, ഒപ്പം തന്നെ ഒരു വാണിംഗ് കൊടുക്കാൻ ഉള്ള മനോഭാവം എന്നിങ്ങനെ. ഈ സമയത്ത് എതിർ കക്ഷി ഇടയാൻ നിന്നാൽ നമ്മൾ ചിലപ്പോൾ പ്രകോപിതരാകും, അല്ലേൽ പോടേയ് പുല്ലേ എന്ന ഭാവം. എതിർ കക്ഷി താഴ്ന്ന് തന്നാൽ നമ്മൾ ഒരുപക്ഷെ കൂൾ ആകും, ഉറപ്പൊന്നും ഇല്ല. അപ്പൊ നമ്മുടെ എതിർകക്ഷിയുടെ പ്രയോഗം നമ്മുടെ ഉള്ളിൽ കിടക്കുന്ന ഏത് വികാരവും പുറത്ത് വരുത്തിക്കും. ഇതേ പ്രകോപനം പിന്നീടൊരിക്കൽ വന്നാലോ? അപ്പോഴുള്ള പ്രതികരണം മുൻപ് ഉള്ളത് പോലെ തന്നെ ആവുകയോ, ആവാതിരിക്കുകയോ ചെയ്യാം. ഓരോരുത്തരുടെയും പ്രതികരണം ഓരോ രീതിയിൽ ആയത് കൊണ്ട്, എന്ത് എപ്പോ നടക്കും എന്നത് കണ്ട് തന്നെ അറിയണം. അകെ കൂടി ഒരു ജഗപൊക.

ഇലക്ട്രോൺ , ഫോട്ടോൺ തുടങ്ങിയ ക്വാണ്ടം സ്വരൂപങ്ങളുടെ അവസ്ഥ ഏതാണ്ട് ഇതേ പോലെ ആണ്. ഇവയുടെ സ്ഥിതിഗതികൾ നമ്മൾ നിരീക്ഷിക്കുമ്പോൾ ഓരോരോ സമയത്ത് ഓരോരോ നിരീക്ഷണഫലം ലഭിക്കും. എന്ന് വെച്ചാൽ? ഒരു ഉദാഹരണം നോക്കാം. ഫോട്ടോണുകൾക്ക് പല വിധം പോളറൈസഷനുകൾ ഉണ്ട്.

ചിത്രം 1, y ആക്സിസിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന എലെക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗം (വെർട്ടിക്കൽ പോളറൈസഷൻ )

ഈ പേജിന്റെ തെക്കേ അറ്റം മുതൽ വടക്കേ അറ്റം വരെ ഉള്ള രേഖയെ, z ആക്സിസ് എന്നും, അതിന്റെ തെക്കേ അറ്റത്തെ അഗ്രഭാഗത്തിൽ നിന്ന് തുടങ്ങി പടിഞ്ഞാറേ അറ്റത്തേക് 90 ഡിഗ്രിയിൽ പോകുന്ന രേഖ y ആക്സിസ് ആയും, ഈ രണ്ട് രേഖകൾ കൂടിച്ചേരുന്ന ബിന്ദുവിൽ നിന്ന് തുടങ്ങി 90 ഡിഗ്രിയിൽ പുറത്തേക്ക് ഉത്ഭവിക്കുന്ന രേഖ x ആക്സിസ് ആയും പരിഗണിക്കു. ഫോട്ടോൺ ഒരു എലെക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗം ആയും വർത്തിക്കാറുണ്ടല്ലോ. അപ്പോൾ ആ തരംഗം y ആക്സിസിലൂടെ ചലിക്കുന്നു എന്ന് കരുതു. ഈ തരംഗത്തിന്ന്റെ ഇലക്ട്രിക്ക് തരംഗങ്ങൾ y-z പ്രതലത്തിൽ ഓസിസിലേറ്റ് ചെയുന്നു എങ്കിൽ അത് വെർട്ടിക്കൽ പോളറൈസ്ഡ് ഫോട്ടോൺ ആയും, ഇലക്ട്രിക്ക് തരംഗങ്ങൾ x-y പ്രതലത്തിൽ ആണെങ്കിൽ അത് ഹൊറിസോണ്ടൽ പോളറൈസ്ഡ് ഫോട്ടോൺ ആയും കണക്കാക്കണം.

ഹൊറിസോണ്ടൽ പോളറൈസേഷൻ 0 ക്യു ബിറ്റും വെർട്ടിക്കൽ പോളറൈസേഷൻ 1 ക്യു ബിറ്റും ആയി കണക്കാക്കൂ. ഒരു അൺ പോളറൈസ്ഡ് ഫോട്ടോണിന്റെ സ്ഥിതി സൂചകം അഥവാ വേവ് ഫംഗ്‌ഷൻ 0 ത്തിന്റെയും 1 ന്റെയും ഒരു മിശ്രിതം ആണ്. ഏതാണെന്നു നമ്മൾ അളക്കാൻ പോയാൽ ഒന്നിലോ പൂജ്യത്തിലേക്കോ അല്ലെങ്കിൽ ഒന്നിലേക്കോ അത് എത്തിച്ചേരും. അത് നമ്മൾടെ കഴിവുകേട് കൊണ്ടല്ല, ഇന്ന് നമുക്ക് അത് അങ്ങിയാണ് എന്ന് മാത്രം മനസിലാക്കാനേ കഴിഞ്ഞിട്ടുള്ളൂ.

ഹൊറിസോണ്ടൽ പോളറൈസഷന്റെ സ്ഥിതി 0 മാത്രം ആണ്. അത് കൊണ്ട് നിരീക്ഷണം ഹൊറിസോണ്ടൽ അടിസ്ഥാനത്തിൽ ആണെങ്കിൽ മാത്രമേ 0 എന്ന സ്ഥിതി ലഭിക്കുകയുള്ളു. വെർട്ടിക്കൽ അടിസ്ഥാനത്തിൽ നിരീക്ഷണം നടത്തിയാൽ 0 എന്ന തുകയാവും ഉത്തരം ലഭിക്കും (0 എന്ന തുക ശൂന്യത്തെയും , 0 എന്ന സ്ഥിതി ഫോട്ടോണിന്റെ പോളറൈസഷനെയും സൂചിപ്പിക്കുന്നു എന്ന് മനസിലാക്കണം). എന്ത് കൊണ്ട് എന്നാൽ, വെർട്ടിക്കൽ അടിസ്ഥാനനത്തിന്റെ സ്ഥിതി അല്ല 0 എന്ന, ഹൊറിസോണ്ടൽ അടിസ്ഥാനത്തിനു മാത്രം സ്വന്തമായ ഫോട്ടോണിക് പോളറൈസഷൻ സ്ഥിതി.

ഇനി, ഈ ക്വാണ്ടം സ്വരൂപങ്ങളെ, രഹസ്യസ്വഭാവ സന്ദേശ വിനിമയത്തിന് എപ്രകാരം പ്രയോജനപെടുത്താം എന്ന് നോക്കാം. ആദ്യം ഒരു വെർട്ടിക്കൽ പോളറൈസ്ഡ് ആയ ഫോട്ടോണിനെ നാം അയക്കുന്നു എന്ന് കരുതുക. അതായത് ക്യു ബിറ്റ് 1. ഇതിന്റെ പൊളാറിസഷൻ അഥവാ ക്യു ബിറ്റ് നമ്മൾ ഈ ഫോട്ടോൺ സ്വീകരിക്കുന്ന ആളെ അറിയിക്കില്ല. സ്വീകരിക്കുന്ന ആൾ, ഒരു പോളറൈസഷൻ ബീം സ്പ്ലിറ്റർ എന്ന എക്സ്പെരിമെന്റൽ സെറ്റ് അപ്പ് ഉപയോഗിച്ച് ഈ ഫോട്ടോണിനെ മെഷർ ചെയ്യും. ഈ സിസ്റ്റം ഹൊറിസോണ്ടൽ പോളറൈസ്ഡ് ഫോടോൺസിനെ കടത്തി വിടുകയും, വെർട്ടിക്കൽ പോളറൈസ്ഡ് ഫോട്ടോണിനെ പ്രതിഫലനം (reflect) ചെയ്യിക്കുകയും ചെയ്യും. സ്വീകർത്താവ് ഫോട്ടോൺ ബീം സ്പ്ലിറ്റർ റിഫ്ലക്ഷൻ മെഷർ ചെയ്യാൻ ഉദേശിച്ചെങ്കിൽ, നമ്മൾ വെർട്ടിക്കൽ അടിസ്ഥാന മെഷർമെന്റ് എന്നും, ബീം സ്പ്ലിറ്ററിലൂടെ കടന്നു വന്ന ഫോട്ടോൺസിനെ മെഷർ ചെയ്യാൻ ശ്രമിച്ചാൽ അത് ഹൊറിസോണ്ടൽ അടിസ്ഥാന മെഷർമെന്റ് എന്നും വിളിക്കും.

ഈ രീതിയിൽ നമ്മൾ അയച്ച ഫോട്ടോണിനെ സ്വീകർത്താവ് ഏതെങ്കിലും ഒരു അടിസ്ഥാനം എടുത്തു സ്ഥിതി നിരീക്ഷിക്കും. ഇതേ പോലെ നമ്മൾ കുറെ ഫോട്ടോൺസ് പല പോളറൈസേഷനിൽ അയക്കുന്നു. അതായത് പല പോളറൈസഷനുകൾ ഉള്ള ഫോട്ടോണുകൾ അയക്കുന്നു. സ്വീകർത്താവ് അവയൊക്കെ ഏതെങ്കിലും അടിസ്ഥാനത്തിൽ മെഷർ ചെയുന്നു അഥവാ നിരീക്ഷിക്കുന്നു. ഏതടിസ്ഥാനം സ്വീകർത്താവ് ഉപയോഗിക്കണം എന്ന് ഒരു നിയമവും ഇല്ല. അയാൾക്ക് എന്തും ഉപയോഗിക്കാം. ഇവിടുത്തെ പ്രത്യേകത, അയച്ച പോളറൈസേഷൻറെ അടിസ്ഥാനം സ്വീകർത്താവ് ഉപയോഗിച്ചാൽ, സ്വീകരിക്കുന്ന ആൾക്ക് അയച്ച അതെ ബിറ്റ് കിട്ടും. അല്ലെങ്കിൽ ഇല്ല. 0 എന്ന തുക മാത്രം ആവും ലഭിക്കുന്നത്.

ഫോട്ടോൺ സ്വീകരിക്കുന്ന ആളുടെ മെഷർമെന്റിനു ശേഷം , അയച്ച ആളും സ്വീകരിച്ച ആളും, തമ്മിൽ ഏത് അടിസ്ഥാനം ആണ് അവർ ഉപയോഗിച്ചത് എന്നത് പരസ്പരം അറിയിക്കുന്നു. അയച്ച അതെ പോളറൈസേഷന്റെ അടിസ്ഥാനം സ്വീകരിച്ച ആൾ നിരീക്ഷണത്തിനു ഉപയോഗിച്ചെങ്കിൽ, അത്തരം ഫോട്ടോണുകളുടെ ഒരു സഞ്ചയം അവർ ഉണ്ടാക്കും. ഈ ഫോട്ടോൺ സഞ്ചയത്തെ ഷെയേർഡ് സ്ട്രിംഗ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഈ ഷെയേർഡ് സ്ട്രിംഗിലെ കുറച്ഛ് ബിറ്റ്‌സുകൾ ഇവർ പരസ്പരം അറിയിക്കുന്നു. ഇതിൽ ഏതെങ്കിലും ബിറ്റ്‌സ് മാച്ച് ആയില്ലെങ്കിൽ സന്ദേശ വിനിമയത്തിൽ വേറെ ആരോ ഇടപെട്ടു എന്നുള്ളത് ഉറപ്പിക്കാം. അതായത്, അയച്ചത് 0 പോളറൈസഷൻ ഉള്ള ഫോട്ടോൺ. നിരീക്ഷിച്ചത് അതെ ഹൊറിസോണ്ടൽ അടിസ്ഥാനത്തിൽ (ഫോട്ടോൺ ബീം സ്പ്ലിറ്ററിലൂടെ കടന്നു വന്ന ഫോട്ടോണ്സ് ), പക്ഷെ ഉത്തരം 0 എന്ന തുകയാണ് നിരീക്ഷിച്ച ആൾക്ക് കിട്ടിയതെങ്കിൽ, ഇടയിൽ ആരോ ഇടപെട്ടിട്ടുണ്ട് എന്നും 0 പോളറൈസഷൻ അവർ നിരീക്ഷിക്കാൻ ശ്രമിച്ചപ്പോൾ ഫോട്ടോണിന്റെ അവസ്ഥ മാറി എന്നും മനസിലാക്കാം. അപ്പോൾ അത്തരം ട്രാൻസ്മിഷൻ ചാനലുകൾ സന്ദേശ വിനിമയത്തിന് സേഫ് അല്ല എന്നും മനസിലാക്കാം.

ഇനി എല്ലാ ബിറ്റ്‌സും മാച്ച് ആയെങ്കിലോ, ഫോട്ടോൺസ് അയക്കാൻ ഉപയോഗിച്ച ചാനൽ സുരക്ഷിതം ആണെന്നും, ഷെയേർഡ് സ്ട്രിംഗിലെ ബാക്കി ഉള്ള ബിറ്റ്‌സുകളെ നമുക്ക് സന്ദേശ വിനിമയത്തിന് രഹസ്യ താക്കോൽ (secret keys) ആയി തുടർന്നുള്ള സന്ദേശ വിനിമയത്തിന് ഉപയോഗിക്കാം എന്നും മനസിലാക്കാം. ഇത്തരം രഹസ്യ സന്ദേശ വാഹക ഫോട്ടോണുകൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള സന്ദേശ വിനിമയത്തത്തെ Quantum Cryptography Distribution Keys എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

ഇതാണ് ക്വാണ്ടം സീക്രെട്ട് കമ്മ്യൂണിക്കേഷന്റെ ഒരു തരം പ്രോട്ടോകോൾ. ഇതേ പോലെ, വേറെയും ധാരാളം പ്രോട്ടോകോളുകൾ ഉണ്ട്. യൂറോപ്യൻ സ്പേസ് ഏജൻസി ക്വാണ്ടം ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫി മറ്റു പല ക്വാണ്ടം കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ് ഡെവലപ്പേഴ്‌സുമായി സഹകരിച്ച് ഇൻഫർമേഷൻ ട്രാൻസ്ഫർ വികസിപ്പിക്കുന്നു എന്ന് അവരുടെ ഔദ്യോഗിക വെബ്‌സൈറ്റിൽ പരാമർശിച്ചിട്ടുണ്ട്. രത്നചുരുക്കത്തിൽ ഭാവിയിലെ രഹസ്യ സന്ദേശ വിനിമയത്തിൽ ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സ് അടിച്ച് പൊളിച്ച് കയറുന്നു എന്ന് വ്യക്തം.

അധിക വായനയ്ക്ക്

Sahu SK, Mazumdar K. State-of-the-art analysis of quantum cryptography: applications and future prospects. Frontiers in Physics. 2024 Aug 6;12:1456491.