क्वांटम की वितरण (QKD) और राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (यूपीएससी विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी)

क्रिप्टोग्राफ़ी डिजिटल अर्थव्यवस्था के केंद्र में है — UPI लेन-देन और आधार प्रमाणीकरण से लेकर राजनयिक संदेशों तथा मिसाइल टेलीमेट्री तक। पारंपरिक क्रिप्टोग्राफ़ी अब दबाव में है क्योंकि क्वांटम कंप्यूटर व्यापक रूप से प्रयुक्त सार्वजनिक-कुंजी एल्गोरिद्म को तोड़ने की क्षमता रखते हैं। क्वांटम की वितरण (Quantum Key Distribution, QKD) गणितीय रूप से प्रमाणित विकल्प प्रस्तुत करता है। यूपीएससी जीएस पेपर III के लिए यह शीर्ष विषय है जो विज्ञान, साइबर सुरक्षा, रक्षा और अंतरराष्ट्रीय सहयोग को जोड़ता है।

पारंपरिक क्रिप्टोग्राफ़ी: संक्षिप्त परिचय

आधुनिक क्रिप्टोग्राफ़ी मोटे तौर पर दो वर्गों में विभाजित है:

• निजी-कुंजी (सममित) क्रिप्टोग्राफ़ी — एक ही कुंजी से एन्क्रिप्शन और डिक्रिप्शन होता है। सुरक्षा कुंजी की लंबाई के साथ बढ़ती है; कठिन समस्या कुंजी का वितरण है।
• सार्वजनिक-कुंजी (असममित) क्रिप्टोग्राफ़ी — प्रेषक सार्वजनिक कुंजी से एन्क्रिप्ट करता है, प्राप्तकर्ता निजी कुंजी से डिक्रिप्ट करता है। सुरक्षा कठिन गणितीय समस्याओं (गुणनखंडन, विविक्त लघुगणक) पर निर्भर है।

दोनों दृष्टिकोण सुभेद्य हैं। सममित योजनाओं के सामने सुरक्षित कुंजी-वितरण की चुनौतियाँ हैं, जबकि सार्वजनिक-कुंजी योजनाएँ (RSA, ECC, Diffie-Hellman) पर्याप्त रूप से बड़े त्रुटि-सहनीय क्वांटम कंप्यूटर पर चलने वाले Shor के एल्गोरिद्म से ख़तरे में हैं।

क्वांटम की वितरण क्या है?

QKD एक क्रिप्टोग्राफिक तकनीक है जो दो दूरस्थ पक्षों के बीच साझा गुप्त कुंजी स्थापित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का उपयोग करती है। इसका केंद्रीय वादा है: किसी भी सेंधमार द्वारा क्वांटम सिग्नल को मापने का प्रयास अनिवार्य रूप से उसे विचलित करता है, जिससे पहचानने योग्य त्रुटियाँ उत्पन्न होती हैं। प्रेषक और प्राप्तकर्ता सेंधमारी का पता लगा सकते हैं और या तो कुंजी को रद्द कर सकते हैं या एक सुरक्षित छोटी कुंजी प्राप्त कर सकते हैं।

QKD को सक्षम करने वाले क्वांटम सिद्धांत

• हाइज़ेनबर्ग का अनिश्चितता सिद्धांत — गैर-क्रमविनिमेय प्रेक्षणीयों को एक साथ सटीकता से नहीं मापा जा सकता।
• नो-क्लोनिंग प्रमेय — किसी स्वेच्छ क्वांटम अवस्था की पूर्ण प्रतिलिपि नहीं बनाई जा सकती।
• क्वांटम उलझाव (entanglement) — सहसंबद्ध अवस्थाएँ दूरस्थ पक्षों के बीच अशास्त्रीय सहसंबंधों को सक्षम करती हैं।

QKD प्रोटोकॉल

• BB84 (Bennett और Brassard, 1984) — एकल फोटॉन की चार ध्रुवीकरण अवस्थाओं का उपयोग करके बिट्स एन्कोड करता है।
• B92 — एक सरलीकृत संस्करण जो केवल दो अ-ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण अवस्थाओं का प्रयोग करता है।
• E91 (Ekert, 1991) — उलझे हुए फोटॉन युग्मों और Bell असमानता पर आधारित।

QKD के उपयोग

• उपग्रहों और भू-केंद्रों के बीच सुरक्षित संचार।
• रक्षा, राष्ट्रीय सुरक्षा और राजनयिक संचार।
• बैंकिंग और शेयर बाज़ार की कड़ियाँ, जहाँ दीर्घकालिक गोपनीयता महत्वपूर्ण है।
• महत्वपूर्ण अवसंरचना (विद्युत ग्रिड, डेटा केंद्र परस्पर-संयोजन)।

क्वांटम प्रौद्योगिकी के व्यापक अनुप्रयोग

क्वांटम प्रौद्योगिकी क्रिप्टोग्राफ़ी से कहीं आगे फैली हुई है:

• क्वांटम कंप्यूटिंग — विशिष्ट समस्याओं (गुणनखंडन, डेटाबेस खोज, अनुकूलन) के लिए घातांकीय गति।
• औषधि खोज और आणविक सिमुलेशन — प्रोटीन और उत्प्रेरकों का मॉडलिंग।
• वित्तीय मॉडलिंग — तेज़ मॉन्टे कार्लो जोखिम गणनाएँ।
• रसद और अनुसूचन — यातायात, एयरलाइन बेड़े, बंदरगाह परिचालन।
• मौसम एवं जलवायु मॉडलिंग — आपदा तैयारी के लिए सूक्ष्म पूर्वानुमान।
• बैटरी रसायन — EV सामग्री अनुसंधान को गति।
• क्वांटम सेंसिंग — अति-संवेदनशील मैग्नेटोमीटर, गुरुत्वमापी, GPS के बिना नेविगेशन के लिए परमाणु घड़ियाँ।

क्वांटम प्रौद्योगिकी में चुनौतियाँ

तकनीकी

• विसंजन (decoherence) के विरुद्ध सुपरपोज़िशन और उलझाव को बनाए रखना।
• क्यूबिट स्केलिंग — क्यूबिट संख्या की तुलना में शोर तेज़ी से बढ़ता है।
• भौतिक प्लेटफ़ॉर्म का चयन (सुपरकंडक्टिंग, ट्रैप्ड आयन, फोटोनिक, तटस्थ परमाणु, टोपोलॉजिकल)।
• अनुप्रयोग स्तर पर एल्गोरिद्म एवं सॉफ़्टवेयर विकास।

पारिस्थितिकी तंत्र

• कुशल पेशेवरों का छोटा पूल।
• उद्योग-शिक्षा अंतराल और सीमित स्टार्ट-अप पारिस्थितिकी।
• समकक्षों की तुलना में कम अंतरराष्ट्रीय सहयोग और पेटेंट।

आपूर्ति शृंखला

• आयातित क्रायोस्टैट, लेज़र, एकल-फोटॉन संसूचक, सुपरकंडक्टिंग चिप्स पर निर्भरता।
• कमज़ोर स्वदेशी अर्धचालक एवं फोटोनिक्स निर्माण।

सुरक्षा

• क्वांटम कंप्यूटर संग्रहीत एन्क्रिप्टेड यातायात को डिक्रिप्ट कर सकते हैं (“अभी संचित करो, बाद में डिक्रिप्ट करो”)।
• क्वांटम तकनीक के परिपक्व होने के साथ दोहरे-उपयोग की चिंताएँ।

भारत और अन्य देश

भारत का क्वांटम प्रौद्योगिकी में निवेश (राष्ट्रीय क्वांटम मिशन के अंतर्गत लगभग 0.75–1 बिलियन अमेरिकी डॉलर) चीन (लगभग 15 बिलियन डॉलर), संयुक्त राज्य अमेरिका (लगभग 3.75 बिलियन डॉलर) और यूरोपीय संघ (1.1 बिलियन डॉलर से अधिक) से पीछे है। हालाँकि, भारत के पास क्वांटम-प्रासंगिक विषयों में 80,000 से अधिक स्नातक छात्रों का बड़ा प्रतिभा-पूल है, जो यदि अनुसंधान अवसंरचना साथ चले तो इसे जनसांख्यिकीय लाभ देता है।

क्वांटम प्रौद्योगिकी को बढ़ावा देने वाली पहलें

• DST द्वारा क्वांटम-सक्षम विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी (QuEST) कार्यक्रम।
• C-DOT क्वांटम संचार प्रयोगशाला (2021) और स्वदेशी रूप से विकसित QKD समाधान।
• QSIM — शोधकर्ताओं के लिए क्वांटम कंप्यूटर सिमुलेटर।
• MeitY द्वारा AWS के साथ क्वांटम कंप्यूटिंग एप्लिकेशन लैब।
• TIFR मुंबई में 3-क्यूबिट सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर, तथा DRDO और TCS के साथ 7-क्यूबिट प्रणाली प्रस्तावित।
• IIT मद्रास का फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटिंग कार्यक्रम और IIT बॉम्बे का क्वांटम सेंसिंग कार्य।
• DRDO QKD प्रदर्शन 100+ किमी फ़ाइबर कड़ियों पर तथा विमान–ज़मीन स्टेशन के बीच।

राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (NQM)

केंद्रीय मंत्रिमंडल ने अप्रैल 2023 में 2023-24 से 2030-31 तक Rs 6,003.65 करोड़ के परिव्यय के साथ NQM को मंज़ूरी दी, जिसके लक्ष्य हैं:

• आठ वर्षों में 50–1000 भौतिक क्यूबिट वाले मध्यम-स्तरीय क्वांटम कंप्यूटर विकसित करना।
• भारत के भीतर 2,000 किमी तक उपग्रह-आधारित सुरक्षित क्वांटम संचार प्राप्त करना।
• अन्य देशों के साथ दीर्घ-दूरी QKD सक्षम करना।
• 2,000 किमी से अधिक अंतर-शहर QKD नेटवर्क तथा क्वांटम मेमोरी वाले बहु-नोड क्वांटम नेटवर्क बनाना।
• सटीक समय, संचार और नेविगेशन के लिए क्वांटम सेंसर, मैग्नेटोमीटर एवं परमाणु घड़ियाँ विकसित करना।
• क्वांटम सामग्री — सुपरकंडक्टर, नए अर्धचालक और टोपोलॉजिकल सामग्री — का डिज़ाइन एवं संश्लेषण।

चार विषयगत केंद्र (T-Hubs) अग्रणी संस्थानों में मिशन को आधार देते हैं — क्वांटम कंप्यूटिंग, क्वांटम संचार, क्वांटम सेंसिंग एवं मेट्रोलॉजी, तथा क्वांटम सामग्री एवं उपकरण पर।

नैतिक एवं नीतिगत चिंताएँ

• वैश्विक डिजिटल विभाजन — क्वांटम-सक्षम राज्य गैर-क्वांटम-सक्षम राज्यों के यातायात को डिक्रिप्ट कर सकता है।
• पोस्ट-क्वांटम क्रिप्टोग्राफ़ी (PQC) में प्रवासन — इंटरनेट, बैंकिंग और रक्षा प्रणालियों के समन्वित उन्नयन की आवश्यकता।
• क्वांटम उपकरण पर निर्यात नियंत्रण प्रौद्योगिकी अंतर को और बढ़ा सकते हैं।
• कार्यबल समानता — क्वांटम प्रतिभा में महिलाओं, क्षेत्रीय कॉलेजों और अंतर-विषयक शोधकर्ताओं को शामिल करना आवश्यक है।

हालिया विकास (2024-26)

• AI एक्शन शिखर सम्मेलन, पेरिस (2025) — AI और क्वांटम के अभिसरण पर चर्चा; भारत ने NQM को पूरक राष्ट्रीय कार्यक्रम के रूप में प्रस्तुत किया।
• भारत सेमीकंडक्टर मिशन — क्वांटम नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए प्रासंगिक स्वदेशी चिप क्षमता को बढ़ावा।
• चंद्रयान-4 और गगनयान — भविष्य के मिशनों में क्वांटम संचार प्रयोग शामिल हो सकते हैं।
• NQM के तहत चार T-Hubs क्रियान्वित — IISc बेंगलुरु, IIT मद्रास, IIT बॉम्बे और IIT दिल्ली (2024)।
• सीमाओं के पार व्यक्तिगत डेटा के प्रवाह के चलते DPDP अधिनियम क्वांटम-सुरक्षित डेटा संरक्षण को अधिक प्रासंगिक बनाता है।
• NIST ने 2024 में पहले पोस्ट-क्वांटम क्रिप्टोग्राफ़ी मानक (ML-KEM, ML-DSA, SLH-DSA) को अंतिम रूप दिया, जिसके बाद भारतीय एजेंसियाँ QKD तैनाती के साथ-साथ PQC प्रवासन की योजना बना रही हैं।

यूपीएससी प्रासंगिकता

प्रीलिम्स के लिए BB84, E91, नो-क्लोनिंग प्रमेय, NQM परिव्यय और चार T-Hubs याद रखें। जीएस III मेन्स के लिए QKD साइबर सुरक्षा, रक्षा, महत्वपूर्ण अवसंरचना और स्वदेशी अनुसंधान एवं विकास से जुड़ता है। नैतिकता और अंतरराष्ट्रीय संबंध प्रश्न दोहरे-उपयोग जोखिमों और निर्यात नियंत्रणों को परखे सकते हैं। AI, क्वांटम और सेमीकंडक्टर मिशनों का अभिसरण इसे व्यापक मेन्स उत्तरों तथा उभरती प्रौद्योगिकी व्यवस्था में भारत की स्थिति पर निबंधों के लिए उच्च-मूल्य का विषय बनाता है।