رمزنگاری کوانتومی چیست؟

رمزنگاری کوانتومی یکی از روش های رمزنگاری است که از ویژگی‌های طبیعی مکانیک کوانتومی، برای ایمن سازی و انتقال اطلاعات به گونه ای استفاده می‌کند که هک نشود.
رمزنگاری فرآیند رمزگذاری و محافظت از داده ها است به طوری که تنها شخصی که کلید مخفی مناسب را دارد بتواند آن را رمزگشایی کند. رمزنگاری کوانتومی با سیستم‌های رمزنگاری سنتی متفاوت است زیرا به‌ عنوان مدل امنیتی خود به جای ریاضیات به فیزیک متکی است.

رمزنگاری کوانتومی سیستمی است که بدون اطلاع فرستنده یا گیرنده پیام در برابر به خطر افتادن کاملاً ایمن است. یعنی کپی یا مشاهده داده های کدگذاری شده در حالت کوانتومی بدون هشدار به فرستنده یا گیرنده غیرممکن است. رمزنگاری کوانتومی همچنین باید در برابر کسانی که از محاسبات کوانتومی استفاده می کنند ایمن باقی بماند.
اگر فردی تلاش کند داده‌های رمزنویسی شده را بخواند، وضعیت کوانتومی تغییر می‌کند و دسترسی به آنها میسر نمی‌شود. رمزنگاری کوانتومی فقط برای تولید و توزیع کلید استفاده می‌شود و نه برای انتقال اطلاعات. این کلید در مراحل بعدی می‌تواند با هر الگوریتم رمزگذاری یا رمزگشایی برای تبدیل پیام به رمز یا برعکس استفاده شود.

رمزنگاری کوانتومی از ذرات منفرد نور یا فوتون ها برای انتقال داده ها از طریق سیم فیبر نوری استفاده می کند. فوتون ها نشان دهنده بیت های دوتایی هستند. امنیت سیستم به مکانیک کوانتومی متکی است. این ویژگی های امن شامل موارد زیر است:

۱-  ذرات می توانند در یک زمان در بیش از یک مکان یا حالت وجود داشته باشند.
۲- یک خاصیت کوانتومی را نمی توان بدون تغییر یا مختل کردن آن مشاهده کرد. و کل ذرات را نمی توان کپی کرد.

۳- این ویژگی‌ها، اندازه‌گیری حالت کوانتومی هر سیستمی را بدون ایجاد اختلال در آن سیستم غیرممکن می‌سازد.

۴- فوتون ها برای رمزنگاری کوانتومی استفاده می شوند زیرا تمام ویژگی های لازم را ارائه می دهند: رفتار آنها به خوبی درک شده است و حامل اطلاعات در کابل های فیبر نوری هستند. یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های رمزنگاری کوانتومی در حال حاضر، توزیع کلید کوانتومی (QKD) است که روشی امن برای تبادل کلید فراهم می‌کند.

تاریخچه

رمزنگاری کوانتومی نخستین بار توسط استیون ویزنر در اوایل دهه ۱۹۷۰ ارائه شد. در سال ۱۹۹۰ یک دانشجوی دوره دکتری دانشگاه آکسفورد به نام آرتور اکرت روش دیگری برای رمزنگاری کوانتومی ارائه داد.

رمزنگاری کوانتومی چگونه کار میکند؟

رمزنگاری کوانتومی با پیروی از مدلی کار می کند که در سال ۱۹۸۴ توسعه یافت.

این مدل فرض می‌کند که دو نفر به نام‌های آلیس و باب وجود دارند که می‌خواهند پیامی را به صورت امن رد و بدل کنند. آلیس با ارسال یک کلید باب پیام را آغاز می کند. کلید جریانی از فوتون ها است که در یک جهت حرکت می کنند. هر فوتون یک بیت از داده را نشان می دهد -- یا ۰ یا ۱. با این حال، علاوه بر حرکت خطی خود، این فوتون ها به شیوه ای خاص در حال نوسان یا ارتعاش هستند.

بنابراین، قبل از اینکه آلیس، فرستنده، پیام را آغاز کند، فوتون ها از طریق یک پلاریزه کننده حرکت می کنند. پلاریزه کننده فیلتری است که فوتون های خاصی را قادر می سازد با همان ارتعاشات از آن عبور کنند و به دیگر فوتون ها اجازه می دهد در حالت تغییر ارتعاش از آن عبور کنند. حالت های قطبی شده می تواند عمودی (۱ بیت)، افقی (۰ بیت)، ۴۵ درجه راست (۱ بیت) یا ۴۵ درجه چپ (۰ بیت) باشد. انتقال دارای یکی از دو قطبش است که نشان دهنده یک بیت واحد است، یا ۰ یا ۱.

فوتون‌ها اکنون در فیبر نوری از قطبی‌کننده به سمت گیرنده باب حرکت می‌کنند. این فرآیند از یک تقسیم کننده پرتو استفاده می کند که قطبش هر فوتون را می خواند. هنگام دریافت کلید فوتون، باب از قطبش صحیح فوتون ها اطلاعی ندارد، بنابراین یک قطبش به طور تصادفی انتخاب می شود. آلیس اکنون آنچه را که باب برای قطبی کردن کلید استفاده می‌کرد، مقایسه می‌کند و سپس به باب اجازه می‌دهد بداند که از کدام قطبی‌کننده برای ارسال هر فوتون استفاده کرده است. سپس باب تأیید می کند که آیا از پلاریزه صحیح استفاده کرده است یا خیر. فوتون‌هایی که با شکاف‌دهنده اشتباه خوانده می‌شوند، دور ریخته می‌شوند و توالی باقی‌مانده کلید در نظر گرفته می‌شود. 

مزایای رمزنگاری کوانتومی

رمزنگاری کوانتومی به کاربران امکان می دهد در مقایسه با رمزنگاری سنتی با امنیت بیشتری ارتباط برقرار کنند. پس از رد و بدل شدن کلیدها بین طرف های درگیر، نگرانی کمی وجود دارد که یک عامل مخرب بتواند داده ها را بدون کلید رمزگشایی کند. اگر کلید هنگام ساخت مشاهده شود، نتیجه مورد انتظار تغییر می کند و فرستنده و گیرنده را آگاه می کند.

این روش رمزنگاری هنوز به طور کامل توسعه نیافته است. با این حال، پیاده سازی های موفقیت آمیزی از آن وجود داشته است:

دانشگاه کمبریج و شرکت توشیبا یک سیستم QKD با نرخ بیت بالا با استفاده از پروتکل رمزنگاری کوانتومی BB84 ایجاد کردند.
شبکه کوانتومی آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی، که از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۷ اجرا می شد، یک شبکه QKD 10 گره ای بود که توسط دانشگاه بوستون، دانشگاه هاروارد و تحقیقات IBM توسعه یافت.
کوانتوم اکسچنج اولین شبکه کوانتومی را با ۱۰۰۰ کیلومتر (کیلومتر) کابل فیبر نوری در ایالات متحده راه اندازی کرد.
شرکت‌های تجاری مانند ID Quantique، Toshiba، Quintessence Labs و MagiQ Technologies Inc. نیز سیستم‌های QKD تجاری را توسعه دادند.

ارتباط امن را فراهم می کند. رمزنگاری کوانتومی به جای اعدادی که شکستن آنها دشوار است، بر اساس قوانین فیزیک کار میکند که روشی پیچیده تر و امن تر برای رمزگذاری است. استراق سمع را تشخیص می دهد. اگر شخص ثالثی سعی کند داده های رمزگذاری شده را بخواند، وضعیت کوانتومی تغییر می کند و نتیجه مورد انتظار کاربران را تغییر می دهد. چندین روش برای امنیت ارائه می دهد. پروتکل های رمزنگاری کوانتومی متعددی استفاده می شود. برخی مانند QKD، برای مثال، می توانند با روش های رمزگذاری کلاسیک ترکیب شوند تا امنیت را افزایش دهند.

معایب و محدودیت ها

معایب و محدودیت‌های بالقوه رمزنگاری کوانتومی شامل موارد زیر است:

تغییرات در قطبش و نرخ خطا. فوتون ها ممکن است قطبش را در حین انتقال تغییر دهند که به طور بالقوه نرخ خطا را افزایش می دهد.
دامنه: حداکثر برد رمزنگاری کوانتومی معمولاً حدود ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلومتر بوده است، به استثنای Terra Quantum.
هزینه. رمزنگاری کوانتومی معمولاً به زیرساخت خاص خود با استفاده از خطوط فیبر نوری و تکرارکننده ها نیاز دارد.
تعداد مقاصد. ارسال کلید به دو یا چند مکان در یک کانال کوانتومی امکان پذیر نیست.