آشنایی با اصول مهم و زیربنایی رمزنگاری کوانتومی

رمزنگاری کوانتومی چیست؟

رمزنگاری کوانتومی، یک روش ارسال اطلاعات به‌شکل امن و محرمانه است. در این روش، از اصول زیربنایی مکانیک کوانتوم برای تولید کلیدهای رمزنگاری غیرقابل پیش‌بینی و ارسال آن‌ها استفاده می‌شود. به بیان دقیق‌تر، در رمزنگاری کوانتومی از مباحث پایه کوانتومی برای ایمن‌سازی فرآیند ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می‌شود. در این رمزنگاری، اطلاعات به‌صورت توان مقادیری از وضعیت‌های کوانتومی، مانند پلاریزاسیون فوتون‌ها (پرتوهای قطبیده) بیان می‌شود. در رمزنگاری کوانتومی، اطلاعات ارسالی به دو بخش تقسیم می‌شوند که یک بخش از اطلاعات مربوط به کلید است که به‌صورت تصادفی تولید شده و بخش دیگر مربوط به اطلاعاتی که قرار است رمزگشایی شود. کلید توسط فرستنده به گیرنده ارسال می‌شود و برای رمزگشایی اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از ویژگی‌های بارز رمزنگاری کوانتومی این است که اگر هرگونه تلاش برای تغییر حالت کوانتومی اطلاعات در حین ارسال انجام شود، آن راه‌حل تغییر می‌کند و شکست رمزنگاری را به‌همراه دارد. به‌طوری که گیرنده و فرستنده به‌سرعت از این موضوع مطلع شده و روند تبادل اطلاعات را متوقف می‌کنند. همین مسئله باعث شده تا رمزنگاری کوانتومی مقاومت بیشتری در برابر حملات سایبری داشته باشد. 

رمزنگاری کوانتومی به چه صورتی انجام می‌شود؟

دو روش کلی برای رمزنگاری کوانتومی وجود دارد. هدف هر دو روش ساخت کلیدهای تصادفی در نقاط پایانی و حذف وابستگی به توزیع این کلیدها بین فرستنده و گیرنده است. در روش اول، از ویژگی‌های کوانتوم نور فرستاده‌شده در یک کانال فیبر-نوری ویژه استفاده می‌شود و دو طرف ارتباط درباره کلید با یک‌دیگر به توافق و اجماع می‌رسند. در روش دوم، از عدم قطعیت واقعی ارزیابی‌های کوانتوم، برای ساخت مخزنی شامل اعداد تصادفی استفاده می‌شود. این اعداد از طریق زیرساخت‌های ابری در دسترس هستند و به‌شکل منحصربه‌فرد در نرم‌افزار نصب‌شده روی نقاط پایانی ترکیب می‌شوند تا کلیدها تولید شوند. این ویژگی نسبت به دیگر تکنیک‌های سنتی، ضریب امنیت بیشتری دارد. 

اصول مهم و زیربنایی رمزنگاری کوانتومی

این مکانیزم کدگذاری اطلاعات بر پایه یکسری مفاهیم زیربنایی به‌شرح زیر پیاده‌سازی شده است. 

اصل تداخل‌سنجی (Principle of Indistinguishability)

این اصل بیان می‌کند که در یک سیستم کوانتومی، دو حالت متفاوت در صورتی قابل تشخیص هستند که بتوان آن‌ها را با یک‌دیگر مقایسه کرد. حال اگر حالت‌ها با یک‌دیگر ترکیب شوند، قابل نمایش نخواهند بود و تعیین حالت دقیق یک ذره کوانتومی امکان‌پذیر نخواهد بود.

اصل اندازه‌گیری (Principle of Measurement)

اصل اندازه‌گیری در رمزنگاری کوانتومی بیان‌گر این است که هنگامی که یک حالت کوانتومی اندازه‌گیری می‌شود، حالت کوانتومی به یکی از حالت‌های مشاهده‌پذیر تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر، اندازه‌گیری یک حالت کوانتومی باعث تغییر حالت آن می‌شود. در رمزنگاری کوانتومی، اصل اندازه‌گیری بسیار مهم است، زیرا همه اطلاعات مربوط به یک کلید رمزنگاری به‌صورت حالت‌های کوانتومی ارسال می‌شود. به عبارت دیگر، برای استفاده از اطلاعات، آن‌ها باید اندازه‌گیری شوند و به حالت‌های مشاهده‌پذیر تبدیل شوند. اگر این اصل رعایت نشود، داده‌های ارسال‌شده ممکن است در حین انتقال تغییر کنند و باعث شکست رمزنگاری شوند.

اصل پراکنده‌سازی (Principle of Entanglement)

اصل پراکنده‌سازی به این معنا است که دو حالت کوانتومی می‌توانند به یک‌دیگر مرتبط باشند و در این حالت، تغییر یکی از آن‌ها، روی حالت دیگری تاثیر دارد. این پدیده «درهم‌تنیدگی کوانتومی» (Quantum Entanglement) نام دارد. در رمزنگاری کوانتومی، استفاده از حالت‌های درهم‌تنیدگی برای ارسال اطلاعات بسیار مهم است. در این روش، دو حالت کوانتومی به یک‌دیگر مرتبط می‌شوند و هنگامی که مقدار هش یکی از آن‌ها اندازه‌گیری شود، حالت دیگری به‌طور خودکار تغییر می‌کند. با این روش، اطلاعات قابل شنود یا دستکاری نمی‌شوند، زیرا هرگونه تلاش برای شنود یا دستکاری باعث تغییر حالت کوانتومی می‌شود و دسترسی به اطلاعات را غیرممکن می‌کند. به بیان دقیق‌تر، اصل فوق ارتباط مستقیمی با اصل اندازه‌گیری دارد که در پاراگراف قبل به آن اشاره شد. به‌عنوان مثال، در رمزنگاری کوانتومی، از حالت‌های پراکنده‌سازی برای ارسال کلید رمزنگاری استفاده می‌شود. در این روش، کلید رمزنگاری به‌شکل حالت‌های پراکنده‌سازی ارسال می‌شود و هنگامی که گیرنده این حالت‌ها را اندازه‌گیری می‌کند، کلید رمزنگاری به‌صورت مشاهده‌پذیری‌های تصادفی تولید می‌شود. با این روش، اطلاعات رمزنگاری به‌صورت امن و بدون شنود ارسال می‌شود.

اصل تکرار‌پذیری کوانتومی (Quantum Repeater Principle)

اصل تکرار‌پذیری کوانتومی به این معنا است که برای ارسال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی می‌توان از رویکرد تکرار استفاده کرد. با این روش، امنیت و پایداری ارسال اطلاعات در فاصله‌های بلند تضمین می‌شود. در رمزنگاری کوانتومی، اطلاعات به‌صورت حالت‌های کوانتومی ارسال می‌شود، اما با افزایش فاصله بین فرستنده و گیرنده، احتمال خطا در انتقال اطلاعات افزایش می‌یابد و امنیت رمزنگاری نیز به خطر می‌افتد. برای حل این مشکل، از فناوری تکرار‌پذیری کوانتومی استفاده می‌شود. در تکرار‌پذیری کوانتومی، از دستگاه‌هایی به‌نام تکرارگر کوانتومی استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها برای تکرار و تقویت حالت‌های کوانتومی استفاده می‌شوند و به این ترتیب از افت شدید سیگنال کوانتومی در فواصل بلند جلوگیری می‌کنند. به بیان ساده‌تر، با استفاده از دستگاه‌های تکرارگر کوانتومی، اطلاعات به بخش‌های کوچک‌تری تقسیم شده و انتقال داده می‌شوند. سپس، با استفاده از تکرارگر کوانتومی، حالت‌های کوانتومی تقویت شده و در فواصل بلندتر انتقال داده می‌شوند. به این ترتیب، امنیت و پایداری ارسال اطلاعات در فواصل بلند تضمین می‌شود.

الگوریتم‌های کوانتومی (Quantum Algorithms)

الگوریتم‌های کوانتومی برای رمزنگاری و رمزگشایی اطلاعات با استفاده از ویژگی‌های کوانتومی مانند پراکنده‌سازی، اندازه‌گیری و توانایی اندازه‌گیری یک حالت‌ در زمان مشخصی به‌کار می‌روند. این الگوریتم‌ها شامل الگوریتم‌های شناسایی و تشخیص اعداد اول کوانتومی، الگوریتم شور (Shor’s algorithm)، الگوریتم گروور (Grover’s algorithm) برای جست‌وجوی سریع در پایگاه داده‌های بزرگ و غیره هستند.

در کل، رمزنگاری کوانتومی یک روش نوین و بسیار پیچیده است که نیازمند دانش عمیق در زمینه فیزیک کوانتومی و ریاضیات پیشرفته است. این روش در حال حاضر در مراکز تحقیقاتی و شرکت‌های فناوری اطلاعات در حال توسعه و پیشرفت است و امیدواریم در آینده از آن به‌عنوان یک روش امن و محرمانه برای ارسال اطلاعات استفاده کنیم.

کلیدهایی که بر مبنای روش‌های مذکور ایجاد می‌شوند، غیرقابل پیش‌بینی هستند، به همین دلیل بر مبنای یک منبع کاملا تصادفی ایجاد می‌شوند. بدون این کلیدها، هیچ‌گونه تضمینی برای امنیت رمزنگاری کوانتومی وجود نخواهد داشت. نکته مهمی که وجود دارد این است که در صورت امکان حدس کلیدها از طریق به‌کارگیری فناوری‌هایی مثل جست‌وجوی فراگیر، قابلیت رمزگشایی سریع هر پیامی وجود دارد. تکنیک‌های محاسباتی وجود دارند که می‌توانند دنباله‌های طولانی از اعداد شبه تصادفی را تولید کنند و به‌لحاظ تئوری این امکان وجود دارد که ضریب امنیت بالایی را ارائه کنند، اما هیچ تضمینی وجود ندارد. البته، می‌توان با استفاده از یک منبع اطلاعاتی کاملا تصادفی عملکرد این الگوریتم‌ها را بهبود بخشید.

مکانیک کوانتوم، تنها منبع اثبات‌شده تصادفی‌سازی است، زیرا منبع ارزیابی‌های کوانتوم غیرقابل تشخیص است و در نتیجه تنها منبع کامل و بی‌نقص در زمینه اعداد تصادفی هستند. این ویژگی در تضاد با حالت شبه تصادفی است که در آن محدوده‌ای برای تولید اعداد و ساخت کلیدها وجود دارد که ممکن است پیش‌بینی دنباله اعداد را برای الگوریتم‌های هوشمند امکان‌پذیر کنند. از طرفی، فناوری‌هایی مثل یادگیری ماشین توانایی بسیار زیادی در تحلیل داده‌ها و شناسایی الگوهای مبتنی بر حالت شبه تصادفی دارند. همین مسئله باعث حدس و تشخیص رمزهای شبه تصادفی می‌شود. در شرایطی که احتمال دارد نقض بهترین الگوریتم‌ها با استفاده از جست‌وجوی فراگیر قابل شناسایی نباشد، با این‌حال، استنتاج کلیدها این شرایط را ندارد.

از آن‌جایی که نرم‌افزارها و سخت‌افزارها بر اساس تعداد مشخصی تکنیک ساخته شده‌اند، رمز و رازی درباره تکنیک پیاده‌سازی‌شده باقی نمانده است. استفاده از کلیدهای طولانی‌تر در صورتی که کلیدها و روش مورد استفاده تغییری نکند، در بهترین حالت، زمان دستیابی به آن‌ها را طولانی‌تر می‌کند. کمی سخت‌تر کردن فرایند رمزگشایی، فقط زحمت هکرها را بیشتر می‌کند، اما باعث توقف‌شان نمی‌شود. از این‌رو، مولدهای اعداد تصادفی کوانتومی باکیفیت، اهمیت زیادی برای حفظ امنیت در عصر کوانتوم دارند. استفاده ترکیبی از روش‌های مختلف، منجر به تولید اعداد تصادفی طولانی می‌شود که برای رمزنگاری قوی مناسب هستند.

درست است که تمامی رویدادهای کوانتومی به یک شکل ایجاد می‌شوند، اما این حرف به این معنا نیست که همگی به یک اندازه برای رمزنگاری مناسب هستند. تاثیرات کوانتوم در همه‌چیز وجود دارند، اما مشاهده و تشخیص آن‌ها از نویز قابل پیش‌بینی کار سختی است. نکات مهم همواره در دل جزئیات مستتر هستند. تشخیص سیگنال کوانتوم از نویزهای کلاسیک که همه جا هستند، در برخی موارد سخت‌تر است. برخی خروجی‌ها به کندی تولید می‌شوند و تولید منظم برخی دیگر هزینه‌بر است. تنها تعداد کمی از خروجی‌ها شرایط لازم را دارند و بین سرعت، هزینه و تصادفی بودن توازن مناسبی برقرار می‌کنند، به همین دلیل برای سیستم‌های اطلاعاتی مدرن مناسب هستند. به‌طور مثال، به‌کارگیری فناوری پالس لیزری تولیدشده توسط دستگاه‌های مخابراتی که یک مولد اعداد تصادفی کوانتوم (QRNG سرنام Quantum Random Number Generation) کارآمد را ایجاد می‌کند، راهکاری موثری در این زمینه است.

Quantum Random Number Generation چیست؟

مولد اعداد تصادفی کوانتومی (Quantum Random Number Generation)، روشی برای تولید اعداد تصادفی با استفاده از فیزیک کوانتومی است. در این روش از حالت‌های کوانتومی به‌عنوان منبع تصادفی استفاده می‌شود. در روش تولید اعداد تصادفی معمولی، از روش‌هایی مانند تولید اعداد تصادفی با استفاده از الگوریتم‌های رایانشی و تولید اعداد تصادفی با استفاده از مشخصات سخت‌افزاری (مانند زمان ساعت رایانه) استفاده می‌شود. در این روش‌ها، اعداد تولیدشده قابل پیش‌بینی هستند و امکان استفاده از آن‌ها در زمینه رمزنگاری و تولید کلید‌های رمزنگاری امن وجود ندارد. از طرفی، در تکنیک مولد اعداد تصادفی کوانتومی از حالت‌های کوانتومی به‌عنوان منبع تصادفی استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، یک فوتون کوانتومی که به‌صورت تصادفی در یک جهت خاص پرتاب شده باشد، می‌تواند به‌عنوان یک منبع تصادفی استفاده شود. با اندازه‌گیری جهت فوتون کوانتومی، یک عدد تصادفی تولید می‌شود که قابل پیش‌بینی نیست. از اعداد تصادفی کوانتومی در کاربردهایی مانند رمزنگاری، تولید کلید‌های رمزنگاری امن و شبکه‌های کوانتومی استفاده می‌شود. قابل پیش‌بینی نبودن این اعداد، امنیت بسیار بالایی در زمینه رمزنگاری ارائه می‌کنند. 

با QRNGها ریسک تحلیل رمزی و پیاده‌سازی حملات جست‌وجوی فراگیر در مقابل الگوریتم‌های رمزنگاری برطرف می‌شود. به‌طور کلی، در این روش باید طول کلیدها به اندازه داده‌ها باشد. در نتیجه تعداد انبوهی عدد تصادفی باید ساخته و استفاده شوند. همچنین، هیچ کامپیوتر یا ابرکامپیوتر امروزی قادر به رمزگشایی این داده‌ها نیست، زیرا امکان تشخیص‌ اعداد تصادفی کاملا مشکل است. کارشناسان بر این باور هستند که QRNGها می‌توانند وعده دستیابی به رمزنگاری کوانتومی را عملی کنند؛ به‌طوری که در آینده نزدیک ما به دنیای امنیت کوانتومی وارد خواهیم شد.