یک برنامه رمزنگاری کوانتومی منبع باز جدید بیشتر از مجموع قطعات آن است

مدل‌های دقیق سناریوهای دنیای واقعی برای گرد هم آوردن تحقیقات نظری و تجربی به روش‌های معنادار مهم هستند. با این حال، ایجاد این مدل های کامپیوتری واقع گرایانه یک کار بزرگ است. برای ایجاد نرم افزار مفید و جامع به حجم زیادی از داده ها، کدها و تخصص در طیف وسیعی از حوزه های پیچیده نیاز است.

دکتر نوربرت لوتکنهاوس، مدیر اجرایی موسسه محاسبات کوانتومی (IQC) و پروفسور دپارتمان فیزیک و نجوم در دانشگاه واترلو، به همراه گروه تحقیقاتی خود، چندین سال گذشته را صرف توسعه مدل‌های نرم‌افزاری دقیق برای تحقیق در این زمینه کرده‌اند. توزیع کلید کوانتومی (QKD).

QKD یک فرآیند رمزنگاری است که از اصول اولیه مکانیک کوانتومی برای تبادل کلیدهای مخفی استفاده می کند، که سپس می تواند برای اطمینان از ارتباط ایمن استفاده شود.

Lutkenhaus و گروه تحقیقاتی‌اش اخیراً بسته نرم‌افزاری منبع باز را در GitHub منتشر کرده‌اند که به کاربران اجازه می‌دهد مدل‌هایی از پروتکل‌های QKD واقعی ایجاد کنند و نرخ تولید کلیدهای کوانتومی امن را با استفاده از متغیرهای ارسالی کاربر برای سناریوهای دنیای واقعی محاسبه کنند.

Lutkenhaus می‌گوید: «مدل‌سازی و تجزیه و تحلیل تنظیمات QKD به مهارت‌های مختلف نیاز دارد تا با هم ترکیب شوند ایجاد یک جامعه بین رشته ای که به نفع همه محققان است.

در ایجاد مدل‌ها و پروتکل‌های دنیای واقعی، تیم به طیف گسترده‌ای از مشکلات که چالش‌های متفاوتی را در فرآیند کدنویسی ارائه می‌کرد، نگاه کردند و سپس مشکل را از یک چالش بزرگ کدنویسی به بخش‌ها و ماژول‌های کوچک‌تر تقسیم کردند. با انجام این کار، این تیم توانست از تخصص های متنوع اعضای خود استفاده کند و همکاران خود را در زمینه های تخصصی جذب کند.

جان برنیستون، توسعه‌دهنده اصلی این بسته نرم‌افزاری و یکی از همکاران تحقیقاتی در IQC، می‌گوید: «مدل‌های QKD با مفروضات واقع‌بینانه به اطلاعات و دانش زیادی در تعداد زیادی از حوزه‌ها نیاز دارند یا مدل‌های دنیای واقعی که ما لزوماً با آن‌ها تجربه نداریم.»

نرم‌افزار ما این وظیفه عظیم را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کند، بنابراین از «من باید همه چیز را یاد بگیرم» به «اجازه می‌دهم این بخش را حل کنم و آن را با بخش‌های دیگر ترکیب کنم» می‌رود، که کمتر دلهره‌آور است.

ماهیت ماژولار علاوه بر گنجاندن دامنه تجربیات لازم در طول توسعه نرم افزار، مزیتی در آموزش و پرورش محققان و دانشجویان جدید است. محققان دانشگاه جدید ممکن است به یک ماژول منفرد هدایت شوند، جایی که آنها بر یادگیری و بهبود فقط یک جنبه یا متغیر در مدل کلی QKD تمرکز می کنند.

از آنجایی که تغییرات آنها می تواند در بسته نرم افزاری کلی ادغام شود، دانش آموزان می توانند ببینند که چگونه تغییرات در بخش کوچک آنها می تواند بر دامنه کلی مشکل و نتیجه نرخ های کلیدی QKD تأثیر بگذارد.

بسته نرم افزاری جدید بازنویسی کامل نسخه قبلی منتشر شده در سال 2021 است که اکنون برای بهبود تجربه کاربری بهبود یافته است. با قطعات واحد کوچکتر، و بررسی‌ها و تعادل‌های داخلی بیشتر برای اعتبارسنجی، نرم‌افزار می‌تواند تعیین کند که آیا مقدار ورودی واقعی و صحیح است یا اینکه احتمالاً خروجی بی‌معنی دارد یا خیر. به طور کلی، این به‌روزرسانی‌ها نرم‌افزاری را ایجاد می‌کنند که یادگیری و ادغام آن در تحقیقات برای هر کسی آسان‌تر است.

در حال حاضر، گروه Lutkenhaus با چندین همکار برای توسعه ماژول های بسته نرم افزاری جدید و استفاده از مدل سازی نرم افزار QKD در آزمایشگاه های تحقیقاتی تجربی کار می کند.

گروه Lutkenhaus با تیم های مختلفی از واترلو همکاری کرده است: دکتر هنری ولکوویچ و گروهش از دپارتمان ترکیبات و بهینه سازی، در زمینه بهینه سازی عددی محدب. و دکتر توماس Genwine از IQC و گروهش، برای مدل سازی نرخ های کلیدی برای برنامه های کاربردی QKD ماهواره ای.

آنها همچنین دارای شرکای از سایر مؤسسات هستند که بر روی انواع مشکلات مدل سازی در دنیای واقعی کار می کنند. آنها و همکارانشان با استفاده از مدل های برنامه نویسی خود، راه هایی را برای بهبود قابل توجه نرخ های کلیدی تجربی پیدا کرده اند.

محققان امیدوارند با انتشار این بسته نرم افزاری به صورت متن باز، جامعه علمی در زمینه توزیع کلید کوانتومی را به همکاری و رشد تشویق کنند. برای تسهیل این همکاری، محققان در نظر دارند یک جلسه آموزشی آتی برای محققان از سراسر جهان برگزار کنند.

جزئیات پس از نهایی شدن در وب سایت اعلام خواهد شد. علاوه بر این، بسته نرم افزاری همچنین با هدف کاهش شکاف و ایجاد ارتباط بین تئوری و اثبات های ریاضی با داده های تجربی و سخت افزار ساخت و ساز است.

برنیستون می گوید: «ترکیب کار بر روی توسعه نرم افزار با تحقیقات پیشرفته بسیار سرگرم کننده است.»