مشاهده ویدیو:
در این ویدیو به دنیای شگفتانگیز رمزنگاری کوانتومی (QKD) سفر میکنیم: چرا کامپیوترهای کوانتومی یک تهدید هستند؟ (مقایسه بیت کلاسیک و کیوبیت) اصل عدم قطعیت هایزنبرگ: چگونه قوانین فیزیک، امنیت ما را تضمین میکنند؟ جاسوسی غیرممکن: چرا در دنیای کوانتوم، خودِ عملِ «نگاه کردن» (جاسوسی) یک ردپای غیرقابل انکار به جا میگذارد؟ مسابقه جهانی: با دو رویکرد اصلی برای امنیت آینده (PQC و QKD) و رقابت کشورها برای رسیدن به این فناوری آشنا می شوید.
شنیدن پادکست (حمله کوانتومی به رمزنگاری کلاسیک: بقا و راهبردهای نظامی در عصر پساکوانتوم):
مقدمه: دنیای پنهان قفلهای دیجیتال
در دنیای امروز، پژوهشگران، سازمانها و شرکتها تمام اطلاعات و آمار جهان را به صورت داده گردآوری میکنند و ما از پیامهای شخصی تا اسرار دولتی و بانکی را با سازوکارهای رمزنگاری محافظت میکنیم؛ این «قفلهای دیجیتال» امنیت دنیای مدرن را میسازند، اما ظهور کامپیوترهای کوانتومی همین قفلها را با تهدیدی بیسابقه به چالش میکشد و میتواند مستحکمترین سپرهای امنیتی امروز را بشکند، پس چگونه از خود محافظت کنیم و چرا پاسخ را نه در ریاضیات پیچیدهتر، بلکه در قوانین بنیادین فیزیک بجوییم؟ برای یافتن پاسخ، ابتدا ماهیت این تهدید جدید را میشناسیم
۱. تهدید کوانتومی: چرا قفلهای امروزی در خطر هستند؟
رمزنگاری امروزی که از آن برای امن کردن ارتباطات بانکی، ایمیلها و پیامهایمان استفاده میکنیم، بر پایه مسائل ریاضی بسیار پیچیدهای بنا شده است. این مسائل به گونهای طراحی شدهاند که حل آنها برای کامپیوترهای معمولی حتی هزاران سال زمان میبرد. اما کامپیوترهای کوانتومی این معادله را به کلی تغییر دادهاند. این ماشینهای محاسباتی قدرتمند، مانند پردازنده Sycamore گوگل، میتوانند همین مسائل را که ستون فقرات امنیت ما هستند، در مدتی بسیار کوتاه حل کنند و عملاً رمزهای مدرن را بشکنند.
برای درک بهتر عمق این خطر، کافی است بدانید که حتی یک پیام رمزنگاری شده با الگوریتم قدرتمند AES با کلید ۱۲۸ بیتی نیز در برابر یک کامپیوتر کوانتومی امن نیست. این یعنی زیرساختهای امنیتی که امروز به آنها تکیه کردهایم، در آیندهای نه چندان دور منسوخ خواهند شد. اینجاست که نیاز به یک رویکرد کاملاً جدید برای امنیت احساس میشود؛ رویکردی که در دنیای کوانتوم متولد شده.
۲. راهحل کوانتومی: امنیت مبتنی بر قوانین فیزیک
راهحل این چالش بزرگ، «رمزنگاری کوانتومی» است. تفاوت اساسی این فناوری با روشهای کلاسیک در این است که امنیت خود را نه از مسائل دشوار ریاضی، بلکه از قوانین بنیادین فیزیک وام میگیرد. این یک تغییر پارادایم است که امنیت را از حوزه محدودیتهای محاسباتی به حوزه قوانین تزلزلناپذیر طبیعت منتقل میکند.
فرمولبندی رمزنگاری کوانتومی بر اساس علم فیزیک و قوانین مکانیک کوانتومی است.
این فناوری شگفتانگیز بر دو اصل حیاتی از مکانیک کوانتوم استوار است که امنیت آن را تضمین میکنند:
1. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ: این اصل بیان میکند که مشاهده یا اندازهگیری یک ذره کوانتومی، الزاماً وضعیت آن را تغییر میدهد. در دنیای رمزنگاری، این به معنای آن است که هرگونه تلاش برای استراق سمع (یعنی مشاهده اطلاعات) یک ردپای قابل تشخیص از خود به جای میگذارد و امنیت را تضمین میکند.
2. قطبش فوتون: فوتونها ذرات بنیادین نور هستند. میتوان از جهتگیری یا «قطبش» آنها (مثلاً عمودی، افقی یا مورب) برای کدگذاری اطلاعات دیجیتال، یعنی بیتهای ۰ و ۱، استفاده کرد. فوتونها در واقع پیامرسانهای کوانتومی ما هستند.
برای درک اینکه این فناوری چگونه از اسرار ما محافظت میکند، باید با این مفاهیم پایهای کمی بیشتر آشنا شویم.
۳. مفاهیم پایهای: فوتون، قطبش و اصل عدم قطعیت
فوتون: پیامرسان کوانتومی
فوتون یک ذره بنیادین نور است. در رمزنگاری کوانتومی، از این ذرات برای انتقال دادهها از فرستنده به گیرنده استفاده میشود. هر فوتون میتواند حامل یک بیت از اطلاعات (یک ۰ یا یک ۱) باشد که برای ساختن یک کلید رمزنگاری محرمانه به کار میرود.
قطبش: زبان مخفی فوتونها
قطبش به جهت نوسان یک موج نور اشاره دارد. ما میتوانیم این ویژگی فیزیکی را به عنوان زبان مخفی فوتونها در نظر بگیریم. برای ارسال اطلاعات، از دو «بنیان» یا مجموعه فیلتر متفاوت استفاده میکنیم: بنیان راستخط (+) و بنیان مورب (x).
• در بنیان راستخط (+): قطبش عمودی (|) نماینده بیت ۱ و قطبش افقی (—) نماینده بیت ۰ است.
• در بنیان مورب (x): قطبش ۴۵ درجه (/) نماینده بیت ۱ و قطبش ۱۳۵ درجه (\) نماینده بیت ۰ است. نکته کلیدی اینجاست که برای خواندن صحیح اطلاعات یک فوتون، باید از فیلتر همبنیان با آن استفاده کرد. اگر فوتونی با بنیان مورب ارسال شده باشد، تلاش برای خواندن آن با فیلتر راستخط به نتیجهای صحیح و قابل اتکا منجر نمی شود.
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ: نگهبان نامرئی
این اصل، مهمترین مزیت امنیتی رمزنگاری کوانتومی است. در این زمینه خاص، اصل عدم قطعیت به این معناست که اگر یک ویژگی کوانتومی مانند قطبش را با یک فیلتر یا بنیان اشتباه اندازهگیری کنید، نه تنها اطلاعات اصلی را از دست میدهید، بلکه حالت خود ذره را نیز به طور غیرقابلپیشبینی تغییر میدهید. برای مثال، اگر یک جاسوس تلاش کند فوتونی را که با قطبش مورب ارسال شده، با فیلتر راستخط بخواند، او ناخواسته حالت فوتون را به قطبش عمودی یا افقی تغییر میدهد. این تغییر غیرقابل بازگشت، مانند یک زنگ خطر عمل میکند و به فرستنده و گیرنده اصلی اطلاع میدهد که کسی در حال استراق سمع است. به عبارت دیگر، خودِ عمل جاسوسی، آن را افشا میکند.
حال ببینیم چگونه این اصول در کنار هم کار میکنند تا یک ارتباط امن و غیرقابل شنود را ممکن سازند.
۴. رمزنگاری کوانتومی در عمل: داستان آلیس، باب و جاسوس
فرآیند اصلی در رمزنگاری کوانتومی، «توزیع کلید کوانتومی» (Quantum Key Distribution یا QKD) نام دارد. برای درک بهتر، این فرآیند را در قالب یک سناریوی ساده با سه شخصیت دنبال میکنیم: آلیس (فرستنده)، باب (گیرنده) و ایو (جاسوس).
مراحل ساخت یک کلید امن به شرح زیر است:
1. ارسال فوتونها: آلیس جریانی از فوتونها را از طریق یک کانال (مانند فیبر نوری) برای باب ارسال میکند. او برای هر فوتون، به صورت تصادفی یک بیت (۰ یا ۱) و یکی از دو بنیان (راستخط + یا مورب x) را انتخاب کرده و فوتون را با قطبش متناظر ارسال میکند.
2. اندازهگیری توسط باب: باب، که نمیداند آلیس از کدام یک از دو بنیان (راستخط یا مورب) استفاده کرده، او نیز به صورت تصادفی یکی از این دو نوع فیلتر را برای اندازهگیری هر فوتون انتخاب میکند.
3. مقایسه و ساخت کلید: در این مرحله، آلیس و باب از طریق یک کانال ارتباطی معمولی (مانند تلفن) با یکدیگر تماس میگیرند. آنها فقط نوع بنیانهایی که برای هر فوتون استفاده کردهاند را با هم مقایسه میکنند، نه نتایج اندازهگیری را. سپس، تمام بیتهایی که بنیانهایشان با هم مطابقت نداشته را حذف میکنند، زیرا نتایج آنها قابل اتکا نیست. بیتهای باقیمانده که هر دو طرف از بنیان یکسانی برای ارسال و اندازهگیری استفاده کردهاند، یک کلید مخفی مشترک و کاملاً تصادفی را تشکیل میدهند.
4) شناسایی جاسوس: فرض کنیم ایو در میانهٔ راه فوتونها را رهگیری میکند و آنها را میخوانَد. چون او اندازهگیری انجام میدهد، بنا بر اصل عدم قطعیت حالتِ بخشی از فوتونها را تغییر میدهد. سپس آلیس و باب در پایان، بخشی از کلید نهایی را برای کنترل با هم مقایسه میکنند و خطاهایی را در رشتهٔ بیتها میبینند که در حالت عادی نباید وجود داشته باشد؛ همین خطاها به آنها هشدار میدهد که ارتباطشان شنود میشود. در این وضعیت، آنها کلید ساختهشده را دور میریزند و فرایند را از ابتدا تکرار میکنند تا یک کلید کاملاً امن به دست آورند.
این فرآیند نشان میدهد که چگونه میتوان با تکیه بر فیزیک، از امن بودن کانال ارتباطی اطمینان حاصل کرد.
۵. نتیجهگیری: آیندهای امن با فیزیک کوانتومی
همانطور که دیدیم، کامپیوترهای کوانتومی سیستمهای رمزنگاری فعلی ما را بهطور جدی تهدید میکنند، اما خودِ دنیای کوانتوم پاسخ این تهدید را ارائه میدهد. رمزنگاری کوانتومی با کنار گذاشتن تکیه بر مسائل صرفاً ریاضی و بهکارگیری قوانین بنیادین فیزیک، امکان برقراری ارتباطات امنی را فراهم میکنه که در تئوری شکستن آنها ممکن نیست.
بزرگترین مزیت این فناوری را قوانین طبیعت تضمین میکنه، نه محدودیتهای فعلی قدرت محاسباتی ما؛ تا وقتی قوانین فیزیک کوانتوم پابرجا بماند، امنیت حاصل از آن نیز برقرار میماند. این روایت شگفتانگیز نشان میدهد که درک عمیق ما از جهان هستی چگونه مستقیم از دنیای دیجیتال و اسرار ارزشمندمان حفاظت میکند.
منبع: کتاب فناوریهای کوانتومی و راهبرد نظامی نوشتهی پرفسور آجی لل.
