التطوير في التخنيون: بروتوكول تشفير شبه كمي

في التشفير الكمي التقليدي، هناك حاجة إلى أجهزة تشفير كمومية على كلا الجانبين. مع الطريقة التي تم تطويرها في كلية علوم الكمبيوتر في التخنيون، من الممكن الاكتفاء بجانب كمي واحد، بينما يتم تزويد الجانب الآخر بقدرات تشفير المعلومات الكلاسيكية فقط. على الرغم من أن الطريقة شبه كلاسيكية، إلا أنه إذا قام شخص ما بالتنصت، فإن التنصت ينتج الكثير من الضوضاء، وهو ما يشعر به المستخدمون الشرعيون

توصل باحثون من كلية علوم الحاسوب في التخنيون إلى طريقة تشفير كمومية مبتكرة لنقل الأسرار لا تتطلب معدات كمومية متطورة من كلا الجانبين. قد يكون للبروتوكول الذي طوروه عواقب مختلفة على الاتصالات السرية بين مركز "ذكي" ومجهز تجهيزًا جيدًا، ومستخدمين ساذجين وأبسط (مثل الأقمار الصناعية أو القواعد العسكرية الصغيرة أو الفروع المحلية للبنك).

في عالم الكمبيوتر الكلاسيكي، من السهل نقل سر بطريقة آمنة تمامًا إذا كان لدى أليس (مرسل السر) وبوب (متلقي الرسالة) "مفتاح" مشترك مسبقًا، وهو بعض المعلومات ("البتات" أو الحروف) وهي سرية، عشوائية تمامًا، وطولها هو طول السر.
المشكلة المتبقية إذن هي كيفية نقل نفس المفتاح السري من أليس إلى بوب. منذ عام 1984، أصبح من المقبول بين الباحثين أن الطريقة الوحيدة لنقل نفس المفتاح السري بطريقة آمنة تمامًا هي تشفير أجزاء المفتاح السري بطريقة كمومية، على سبيل المثال - إلى خصائص معينة للفوتونات.

وفي حديث مع موقع هيدان، يوضح البروفيسور مور أن "طريقة نقل المفاتيح المقبولة حالياً هي طريقة RSA، التي تعتمد على رقم طويل جداً - بمئات الأرقام - ومكوناته الأولية. الافتراض هو أن ضرب الأعداد الأولية هي عملية سهلة التنفيذ، في حين أن محاولة تحليل عدد كبير إلى مكوناته الأولية هي عملية صعبة تتطلب الكثير من القوة الحاسوبية. لذلك، سيكون من الممكن دائمًا العثور على مفاتيح طويلة بما يكفي، بحيث تكون قوة الحساب المطلوبة لفك تشفيرها كبيرة جدًا، إلى درجة جعل فك التشفير مستحيلًا. ومع ذلك، لا يوجد دليل على سلامة هذه الطريقة والأساليب المشابهة لها، ومن الممكن أن تكون وكالة استخبارات كبيرة على علم بالفعل بالاختراق، لكنها تحافظ على سرية هذه الحقيقة. بل إنه من الممكن (على الرغم من أنه أقل احتمالًا) أن ينجح متسلل عبقري في تطوير RSA في السنوات القادمة. ومن المثير للاهتمام بشكل خاص ملاحظة أنه من الناحية النظرية، تم كسر طريقة RSA بالفعل، ولكن ليس بواسطة خوارزمية عادية ولكن على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لكن من الناحية العملية، لا يزال حل هذه المشكلة بعيدًا جدًا، وسيحدث إذا أصبحت أجهزة الكمبيوتر الكمومية قابلة للبناء. سيكونون قادرين على فك رموز أي تشفير RSA وما شابه، بأي طول. وفي ضوء المخاطر المذكورة أعلاه، من المهم أن نعرف أن هناك أيضًا طريقة مختلفة تمامًا، تعتمد على نظرية الكم."

ويضيف البروفيسور مور: "إن المبدأ الأساسي في نظرية الكم هو أن دراسة خاصية واحدة للجسيم (على سبيل المثال، موقعه) تؤثر بالضرورة على خاصية أخرى (على سبيل المثال، سرعته). في عام 1984، أظهر الباحثان تشارلز بينيت وجيل بريسر أن الاستخدام الدقيق لهذا المبدأ الأساسي يجعل من الممكن نقل الأسرار بطريقة مبتكرة وآمنة تمامًا بمساعدة المعلومات الكمومية المشفرة في خصائص الفوتونات. وبسبب قانون نظرية الكم هذا، فإن الخصم الذي يحاول معرفة السر سوف يصدر حتمًا أصواتًا سيلاحظها المستخدمون الشرعيون.

على الرغم من الاسم الشائع، إلا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتشفير الكمي. وبينما لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المرحلة التجريبية من حياتها، هناك آلات تشفير كمومية في السوق، وهي ليست باهظة الثمن حتى (حوالي 80 ألف دولار لكل وحدة). المشكلة هي أن إرسال وفك تشفير الرسائل المشفرة يتطلب قدرات كمومية متطورة على جانبي الخط. إن اكتشافنا، الذي كان جزءًا أساسيًا من أطروحة الدكتوراه للدكتور دان كونيجسبيرج، يعني أنه من المحتمل الوصول إلى نفس المستوى الدقيق من الأمان، حتى لو كان أحد المستخدمين لا يستخدم مبادئ نظرية الكم ولا يعرف حتى أن البروتوكول الذي يستخدمه شبه كمي."

في النموذج التقليدي لنقل المفتاح الكمي، تقوم أليس بإنشاء سلسلة من الأصفار والواحدات وترميز كل "بت" باستخدام فوتون مستقطب بإحدى الطريقتين التاليتين: الأساس "الحسابي"، ويسمى أيضًا الأساس "الكلاسيكي"، حيث يتم تمثيل الآحاد والأصفار من خلال الاستقطاب الرأسي مقابل الاستقطاب الأفقي، أو على أساس "قطري"، حيث يتم تمثيل الواحد والصفر بأقطاب زائد 45 درجة وسالب 45 درجة، على التوالي. إذا تخيلنا فوتونًا يحاول المرور عبر النظارات الشمسية، فسيمر الفوتون المستقطب أفقيًا ويصل إلى عين الراصد، بينما سيتم امتصاص الفوتون المستقطب رأسيًا بواسطة الزجاج أو ينعكس مرة أخرى. كما هو الحال في حالة الموضع مقابل السرعة، هنا أيضًا لا يمكن تعلم الاستقطاب بشكل صحيح إذا تم استخدام أساس مختلف عن الأساس الذي تم ترميز الفوتون به.

عندما يصل فوتون من أليس إلى بوب، فإنه يختار إحدى القواعد - "الحسابية" أو "القطرية" ويخبر أليس بالأساس الذي يستخدمه. في كل مرة يستخدم القاعدة الخاطئة، يحصل على إجابة عشوائية، وتطلب منه أليس التخلص من تلك "البتة"، أي تجاهل الفوتون. تتم إزالة هذه "البتات"، ويتم إنتاج المفتاح السري من البتات المتبقية. إذا كان هناك أي متنصت، فعندما يستقبل الفوتونات عليه أن يخمن القاعدة التي سيستخدمها لقراءتها. ونتيجة لذلك، ووفقًا لقوانين ميكانيكا الكم، فإنه في الواقع يدمر الاستقطاب في كل مرة يخمن فيها بشكل صحيح، ويحدث ضوضاء، ويحرم بوب من قدرته على القراءة الصحيحة لبعض الفوتونات التي ربما قرأها بشكل صحيح. الضجيج الذي لاحظه بوب يكشف لبوب أن قناة الاتصال مشوشة بسبب أحد المتنصتين.

سننظر الآن إلى مثال آخر يوضح بشكل أفضل سبب تسمية قاعدة معينة بـ "الكلاسيكية". دع جسيمًا معينًا يكون داخل صندوق الألف أو داخل صندوق المنزل. ترسل أليس إلى بوب الصندوقين اللذين يحتويان على جسيم واحد فقط. وفقًا لنظرية الكم، يمكن أن يكون الجسيم المنفرد أيضًا في كلا الصندوقين (وهي ميزة ليس لها مثيل في عالمنا "الكلاسيكي" العادي). السؤال "في أي صندوق يوجد الجسيم؟" هو سؤال يمكن للمستخدم الكلاسيكي طرحه. وتشفير السر في القاعدة «الحسابية» (أي في القاعدة «الكلاسيكية») في هذه الحالة يعني أن «الصفر» يتم ترميزه بوضع الجسيم في خانة الألف، ويتم ترميز «الواحد» بوضع الجسيم فيه. المربع الواحد. تشفير السر في القاعدة "القطرية"، أصبح معناه الآن أكثر تعقيدًا: نحدد "مرحلة" بين الحالتين (صندوق الألف وصندوق المنزل) ومن ثم يمكن أن يكون الجسيم في كلا الصندوقين ومعه "+" "مرحلة عندما يتم ترميزها بـ "صفر"، أو في كلا المربعين وبمرحلة "-" عندما يتم ترميز "واحد". السؤال "هل تم العثور على الجسيم بمرحلة "+" أو بمرحلة "-" لا يمكن طرحه إلا من قبل مستخدم يتمتع بقدرات كمومية.

لأكثر من عقدين من الزمن، كان جميع الباحثين في هذا المجال مقتنعين تمامًا بأن البروتوكول الكمي السري يتطلب أن يتمتع كل من أليس وبوب بقدرات كمية. اكتشف باحثو التخنيون الآن، بالتعاون مع الباحث ميشيل بوير من جامعة مونتريال في كندا، أنه من المحتمل الحصول على نفس مستوى الأمان تمامًا في نظام شبه كمي، أي أن أليس فقط هي التي تحتاج إلى أن تكون الكم. يستخدم بوب الأساس "الكلاسيكي" فقط - أي أساس "الحساب"، وليس الأساس "القطري". في البروتوكول الجديد، يعيد بوب الفوتونات إلى أليس، مع عدم لمس بعضها على الإطلاق، وأليس هي التي تقيس القاعدة المقابلة للقاعدة التي أرسلت فيها كل فوتون. وهذا النظام آمن، لأن المتنصت لا يعرف مسبقاً أي الفوتونات ستعاد إلى أليس دون أن يقيسها بوب، وبالتالي يُمنع المتنصت من التدخل في الاتصال، لأن أي تدخل منه سيؤدي حتماً إلى إحداث الكثير من الضجيج في المعلومات وسوف تشعر بها أليس وبوب.

دعونا نفكر في المثال الذي أرسلت فيه أليس إلى بوب صندوقين يحتويان على جسيم واحد. يكون الجسيم في إحدى الحالات الأربع: في صندوق الألف أو صندوق المنزل أو كليهما بمرحلة "+" أو كليهما بمرحلة "-". يمكن لبوب الذي يتمتع بقدرات كمومية أن يختار مقياسًا يخبره بالصندوق الذي يوجد فيه الجسيم. وبدلاً من ذلك، يمكنه اختيار قياس يسأل عن المرحلة ("+" أو "-"). لكن وفقًا لقوانين نظرية الكم، لا يستطيع بوب أن يطرح كلا السؤالين. أصبح من الواضح الآن ما يمكن أن يفعله بوب وهو أمر كلاسيكي: يمكنه قياس الجسيم في أي صندوق، ويمكنه تركه في الصندوق الذي وجده فيه، وإرسال كلا الصندوقين مرة أخرى إلى أليس، ويمكنه أيضًا إعادة كلا الصندوقين دون قياس على الاطلاق.

أظهرنا في البروتوكول الجديد أن هذه القدرات كافية بالفعل لتحديد بروتوكول شبه كمي، ولكنها آمنة ضد التنصت.