جعل القرصنة غير مجدية – التشفير الكمي
الإنترنت مليء بالبيانات الحساسة للغاية. بشكل عام، تضمن تقنيات التشفير المتطورة أن مثل هذه المواد لا يمكن اعتراضها وقراءتها.
ومع ذلك، في المستقبل، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية عالية الأداء كسر هذه المفاتيح في غضون ثوانٍ.
لذلك من حسن الحظ أن مناهج ميكانيكا الكم لا تقدم فقط خوارزميات جديدة وأسرع بكثير، بل تقدم أيضًا تشفيرًا فعالاً للغاية.
توزيع المفتاح الكمي (QKD)، كما تقول المصطلحات، آمن ضد الهجمات على قناة الاتصال ولكن ليس ضد الهجمات أو التلاعب بالأجهزة نفسها.
نتيجة لذلك، قد تُخرج الأجهزة مفتاحًا احتفظت به الشركة المصنعة سابقًا ويمكن أن تمرره إلى أحد المتسللين. إنها قصة مختلفة مع QKD المستقل عن الجهاز (اختصار DIQKD).
لا يتأثر بروتوكول التشفير بالجهاز. هذه التكنولوجيا معروفة من الناحية النظرية منذ التسعينيات، ولكن تم تنفيذها بشكل تجريبي فقط من قبل فريق بحث دولي برئاسة عالم الفيزياء في جامعة ميونيخ لودفيج ماكسيميليان هارالد وينفورتر وتشارلز ليم من جامعة سنغافورة الوطنية (NUS).
هناك العديد من الطرق لتبادل مفاتيح ميكانيكا الكم. يرسل جهاز الإرسال إشارات ضوئية إلى جهاز الاستقبال، أو يتم استخدام أنظمة كمومية متشابكة.
استخدم العلماء ذرتين من الروبيديوم المتشابكين ميكانيكيًا في مختبرين يفصل بينهما 400 متر في حرم جامعة LMU في التجربة الحالية.
ويرتبط المرفقان بكابل ألياف بصرية طوله 700 متر يمر تحت ميدان Geschwister Scholl أمام المبنى الرئيسي.
لإنشاء تشابك، يقوم العلماء أولاً بتحفيز كل ذرة بنبضة ليزر. بعد ذلك، تعود الذرات تلقائيًا إلى حالتها الأساسية، وتطلق كل منها فوتونًا.
يتشابك دوران الذرة مع استقطاب الفوتون المنبعث بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي. ينتقل الجسيمان الخفيفان عبر كابل الألياف الضوئية إلى محطة استقبال، حيث يكشف القياس المشترك للفوتونات عن تشابك ذاكرة الكم الذري.
لتبادل مفتاح، تقيس أليس وبوب – كما يطلق على الطرفين عادة من قبل خبراء التشفير – الحالات الكمومية لذرات كل منهما.
في كل حالة، يتم ذلك بشكل عشوائي في اتجاهين أو أربع اتجاهات. إذا كانت التوجيهات متوافقة، تكون نتائج القياس متطابقة بسبب التشابك ويمكن استخدامها لإنشاء مفتاح سري.
من خلال نتائج القياس الأخرى، يمكن تقييم ما يسمى بتباين بيل. طور الفيزيائي جون ستيوارت بيل في الأصل هذه التفاوتات لاختبار ما إذا كان يمكن وصف الطبيعة بمتغيرات خفية.
يقول وينفورتر: “اتضح أنها لا تستطيع”.
في DIQKD، يتم استخدام الاختبار “على وجه التحديد لضمان عدم وجود تلاعب في الأجهزة – أي، على سبيل المثال، لم يتم حفظ نتائج القياس المخفية في الأجهزة مسبقًا،” يوضح Weinfurter.
على عكس الأساليب السابقة، فإن البروتوكول المنفذ، الذي طوره باحثون في NUS، يستخدم إعدادين للقياس لتوليد المفاتيح بدلاً من واحد: “من خلال تقديم الإعداد الإضافي لتوليد المفاتيح، يصبح من الصعب اعتراض المعلومات، وبالتالي يقول تشارلز ليم: “يمكن للبروتوكول أن يتحمل المزيد من الضوضاء ويولد مفاتيح سرية حتى بالنسبة للحالات المتشابكة منخفضة الجودة”.
على النقيض من ذلك، مع طرق QKD التقليدية، يتم ضمان الأمان فقط عندما يتم وصف الأجهزة الكمية المستخدمة بشكل جيد بما فيه الكفاية.
يوضح تيم فان لينت، أحد المؤلفين الأربعة الرئيسيين لـ ورقة جنبًا إلى جنب مع Wei Zhang و Kai Redeker. يتابع فان لينت أنه من المعروف منذ عقد على الأقل أنه يمكن بسهولة اختراق أجهزة QKD القديمة من الخارج.
يوضح Weinfurter: “من خلال طريقتنا، يمكننا الآن إنشاء مفاتيح سرية بأجهزة غير معيّنة وربما غير جديرة بالثقة”.
في الواقع، كانت لديه شكوكه في البداية حول ما إذا كانت التجربة ستنجح. لكن فريقه أثبت أن مخاوفه لا أساس لها من الصحة وحسّن جودة التجربة بشكل كبير، كما يعترف بسعادة.
إلى جانب مشروع التعاون بين LMU وNUS، عرضت مجموعة بحثية أخرى من جامعة أكسفورد توزيع المفتاح المستقل عن الجهاز. للقيام بذلك، استخدم الباحثون نظامًا يشتمل على أيونيين متشابكين في نفس المختبر.
يقول تشارلز ليم: “يضع هذان المشروعان الأساس لشبكات كمومية مستقبلية، حيث يكون الاتصال الآمن تمامًا ممكنًا بين مواقع بعيدة”.
أحد الأهداف التالية هو توسيع النظام ليشمل عدة أزواج ذرات متشابكة. يقول فان لينت: “سيسمح هذا بإنشاء المزيد من حالات التشابك، مما يزيد من معدل البيانات وفي النهاية الأمان الرئيسي”.
بالإضافة إلى ذلك، يرغب الباحثون في زيادة النطاق. في الإعداد الحالي، كان مقيدًا بفقدان حوالي نصف الفوتونات في الألياف بين المختبرات.
في تجارب أخرى، تمكن الباحثون من تحويل الطول الموجي للفوتونات إلى منطقة منخفضة الفقد مناسبة للاتصالات.
بهذه الطريقة، للحصول على القليل من الضوضاء الإضافية، تمكنوا من زيادة مدى اتصال الشبكة الكمومية إلى 33 كيلومترًا.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
