پردازنده‌هاي تمام-كوانتومي منطبق با مد و كاربرد آن در توزيع كليد كوانتومي: رويكرد سيگنال‌ها و سيستم‌ها

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

دكتري

با ظهور رايانه‌هاي كوانتومي و چالش‌هاي امنيتي ناشي از آن‌ها، توسعه‌ي روش‌هاي جديد و كارآمد در زمينه رمزنگاري ضروري است. در اين راستا، رمزنگاري با استفاده از توزيع كليد كوانتومي به عنوان راهكاري نوين و مؤثر در حفظ امنيت اطلاعات معرفي شده است. پژوهش حاضر، به شناسايي عميق سيستم‌هاي توزيع كليد كوانتومي موجود و ارائه‌ي راهكارهاي مناسب در طراحي و پياده‌سازي اين سيستم‌ها پرداخته است. يكي از دستاوردهاي كليدي اين پژوهش، معرفي پردازنده‌هاي كوانتومي سازگار با مد است كه قابليت تنظيم به محيط‌هاي ارتباطي مختلف را دارند. اين پردازنده‌ها به افزايش تعامل‌پذيري بين عملگرهاي مختلف در يك پردازنده‌ي كوانتومي و همچنين گره‌هاي كوانتومي در شبكه كمك مي‌كنند. با استفاده از اين پردازنده‌ها، امكان دستيابي به طراحي و پياده‌سازي عملگر كوانتومي در مد سيگنال مناسب فراهم مي‌شود كه ضمن سازگاري با ساير عملگرهاي پردازنده/شبكه، به حداكثر رساندن هماندهي و احتمال موفقيت ساختار كمك مي‌كند. در ادامه، اين رساله به تحليل مقايسه‌اي ساختارهاي نگاشت مد تمام‌كوانتومي مي‌پردازد كه به طور معمول در ارتباطات كوانتومي استفاده مي‌شوند. به طور خاص، ساختارهاي بررسي شده شامل نگاشت‌هاي مد مسير به زمان و بالعكس، قطبش به مسير و بالعكس،‌ و قطبش به زمان و بالعكس مي‌باشد كه براي هر يك، هماندهي و احتمال موفقيت به طور نظري محاسبه شده است. سپس، به بررسي عميق سيستم‌هاي توزيع كليد كوانتومي و چالش‌هاي طراحي و پياده‌سازي آن‌ها پرداخته مي‌شود و لايه‌هاي مختلف نمايش اطلاعات و سيگنال‌هاي كوانتومي يك طرح توزيع كليد كوانتومي به طور دقيق توصيف مي‌شود. جزئيات هر نمايش به تفصيل مورد بحث قرار گرفته و ويژگي‌هاي اساسي سيستم‌هاي توزيع كليد كوانتومي سازگار با شبكه، از جمله پشتيباني از پروتكل‌هاي مختلف، با ابعاد متفاوت و انعطاف‌پذيري در كار كردن با نرخ‌هاي ساعت متنوع بيان شده است. علاوه بر آن، دو مدل جامع و ساده‌شده براي توصيف سيگنال‌ها و سيستم‌هاي توزيع كليد كوانتوميِ نوع آماده‌سازي و اندازه‌گيري ارائه شده است و عملكرد دو ساختار شناخته شده با استفاده از مدل ساده شده بررسي شده است. در نهايت، به معرفي طرحي براي توزيع كليد كوانتومي سازگار با شبكه پرداخته كه به طور خاص، براي پاسخگويي به نيازهاي متنوع در زمينه‌ي پروتكل‌هاي كوانتومي، سازگاري با مدهاي مختلف فوتونيكي و امكان تغيير نرخ ساعت طراحي شده است. اين طرح، قابليت اجراي همزمان چندين پروتكل را براي كيوديت‌هاي با ابعاد متفاوت در هر دو سمت فرستنده و گيرنده دارد. شبيه‌سازي‌هاي انجام شده نشان‌دهنده‌ي توانايي بالاي اين مدل در پياده‌سازي گيت‌هاي كوانتومي با دقت بالا است. به طور خاص،‌ با استفاده از ساختار تغيير دهنده‌ي فاز زمان-فركانس،‌ با به كارگيري سه المان تغيير فاز كه به ترتيب در حوزه‌هاي فركانس، زمان و فركانس پياده‌سازي شده‌اند،‌ موفق به پياده‌سازي گيت هادامارد دو بعدي با هماندهي 1 و احتمال موفقيت نزديك به 1 شده‌ايم. در صورتي‌كه به دليل سادگي پياده‌سازي،‌ تنها از طرح‌هاي فاز سينوسي براي پياده‌سازي گيت استفاده شود، با حفظ هماندهي 1، احتمال موفقيت به 0.9760 كاهش مي‌يابد. هم‌چنين، بدون تغيير تعداد المان‌هاي مورد نياز، مي‌توان با همان ساختار و تنها تغيير فازهاي اعمالي، گيت تبديل فوريه‌ي سه بعدي (چهاربعدي) را با هماندهي 1 و احتمال موفقيت 0.9719 (0.9709) پياده‌سازي نمود. با توجه به پيشرفت‌هاي صورت‌گرفته در حوزه فناوري‌هاي كوانتومي و ارتباطات، اين پژوهش به‌عنوان يك مرجع جامع براي درك بهتر سيستم‌هاي توزيع كليد كوانتومي و پروتكل‌هاي مربوطه عمل مي‌كند. اين مدل‌ها و تحليل‌ها مي‌توانند به عنوان مبنايي براي پژوهش‌هاي آينده در اين زمينه مورد استفاده قرار گيرند و به توسعه سيستم‌هاي توزيع كليد كوانتومي با كارايي و امنيت بالاتر كمك كنند.

236036

مخابرات سيستم

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان