رمزنگاری کوانتومی

(قسمت اول)

نمونه‌هایی از رمزنگاری کوانتومی استفاده از ارتباطات کوانتومی برای رد و بدل کردن مخفیانه کلید (توزیع کلید کوانتومی) یا استفاده از رایانه‌های کوانتومی برای شکستن انواع گوناگون کلیدهای عمومی و امضاهای دیجیتال می‌باشد.

رمزنگاری کوانتومی انجام عملیات گوناگون رمزگذاری را که با تبادلات کلاسیک غیر ممکن است میسر می‌سازد که این یکی از مزیت‌های رمزنگاری کوانتومی است. مکانیک کوانتومی تضمین می‌کند که با اندازه گیری داده‌های کوانتومی، این اطلاعات از بین می‌روند از این ویژگی می‌توان برای تشخیص مداخله دشمن در یک پیغام استفاده کرد. با این وجود، اگر یک استراق سمع کننده اختلالاتی کمتر از آنچه انتظار می‌رود ایجاد کند، ممکن است اطلاعات فاش شوند.

رمزنگاری کوانتومی اولین بار توسط Stephen Wiesner در اوایل دهه‌ی 1970 ارائه شد که مقاله‌ی وی در این زمینه در سال 1983 به چاپ رسید و در سال 1990 یک دانشجوی دوره‌ی دکتری دانشگاه oxford به نام Artur Ekert روش دیگری برای رمزنگاری کوانتومی ارائه داد. همان طور که گفتیم رمزنگاریِ کوانتومی تنها برای تولید و توزیعِ 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. برخلاف رمزنگاری کلاسیک که به دشواری انجام عملیات ریاضی به خصوصی وابسته است، نمی‌تواند شنودکننده (فردی که از راه‌های غیرمجاز می‌خواهد به اطلاعات دسترسی یابد) را آشکارسازی نماید و پنهان ماندن کلید را تضمین کند، رمزنگاری کوانتومی که بر پایه‌ی اصول مکانیک کوانتومی استوار است از بین بردن تمامی این مشکلات را وعده می‌دهد.

کدهای غیرقابل شکستن

کامپیوترها در رمزنگاری پیام‌های رمزبندی شده‌ای را می‌فرستند که برای رمزگشایی نیاز به کلید دارند. اما تکنیک‌های رمزنگاری فعلی کاملا ایمن نیستند و با استفاه از قدرت محاسباتی کافی و صرف وقت می‌توان آنها را هک کرد.

اما در رمزنگاری کوانتومی وضع به صورت دیگری است. ایده این رمزنگاری بر اساس یکی از پیامدهای عجیب و غریب مکانیک کوانتوم است. هنگامی فوتون نور از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت می‌کند، حرکت آن وضعیتی غیرقطعی دارد. یک ناظر نمی‌تواند سوگیری، یا قطبی‌شدن فوتون را بدون آشفتن فوتون و تغییر دادن برآمد آن دریابد.

بنابراین اگر رمزنگاری پیامی سری با یک کلید کوانتومی انجام شود که در وضعیت اولیه یک فوتون رمزبندی شده است، در این صورت هر فرد خارجی که سعی کند این پیام را تفسیر کند باعث آشفتگی این ذرات و تغییر یافتن کلید خوهد شد.

اصول رمزنگاری کوانتومی

امواج الکترومغناطیسی (به عنوان مثال نور) می‌توانند قطبیده شوند. قطبیدگی بنا بر قرارداد با جهتِ میدان الکتریکی تعریف می‌شود که در آن یا جهت نوساناتِ میدان الکتریکی ثابت است یا به شکل معینی تغییر می‌کند. به این ترتیب نورِ خورشید کاملاً غیرقطبیده است زیرا جهتِ میدان در آن به شکل کاملاً تصادفی عوض می‌شود. یک قطبش‌گر ابزاری است که تنها اجازه‌ی عبورِ نور با جهت قطبیدگی خاصی را می‌دهد. بنابراین اگر نور کاملا غیر‌قطبیده باشد تنها نیمی از آن از قطبش‌گر عبور خواهد کرد. اما بر طبق نظریه کوانتوم، امواج نور (کل امواج الکترومغناطیسی) به‌شکل ذرات گسسته‌ی بدون جرمی که فوتون نامیده می‌شوند انتشار می‌یابند. هر فوتون مقدار معینی انرژی، اندازه حرکت و اندازه حرکت زاویه‌ای دارد و قطبش با جهتِ اندازه حرکت زاویه‌ای یا اسپین آن معین می‌شود. در این نظریه فوتون یا از قطبش گر رد می‌شود یا نه، اما اگر رد شد جهتِ قطبشش با محورِ قطبش‌گر هم‌خط می‌شود، مستقل از این که چه  قطبش اولیه‌ای داشته است. نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی نور با هم یک نظریه‌ی نامتناقض و بدون ابهام را ایجاد می‌کنند که هر یک قادر به توصیف پدیده‌های به‌خصوصی هستند. بنابراین نور دارای خاصیت دوگانه‌ی ذره و موج است.

رمزنگاری کوانتومی بر پایه‌ی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (Heisenberg) استوار است که می‌گوید جفت‌های به‌خصوصی از خواص فیزیکی یک سیستم به‌شکلی به هم مربوطند که اندازه‌گیری هم‌زمان آن‌ها غیرممکن است و اندازه‌گیری یکی از آن‌ها از اندازه‌گیری کمیت دیگر به‌طور هم‌زمان جلوگیری می‌کند. این اصل با توجه به این نکته است که اندازه‌گیری یک سیستم حالت آن را تغییر می‌دهد. بنابراین وقتی در اندازه‌گیری قطبش فوتون جهت اندازه‌گیری خاصی را انتخاب می‌کنیم این انتخاب تمامی اندازه‌گیری‌های بعدی را تحت تاثیر قرار می‌دهد چون قطبش را عوض می‌کند.

توزیع کلید کوانتومی

مسلما بهترین کاربرد شناخته شده از رمز نگاری کوانتومی توزیع کلید کوانتومی است. توزیع کلید کوانتومی فرایند استفاده از تبادل کوانتومی را برای ایجاد یک کلید مشترک میان دو نفر (که معمولا آلیس و باب نامیده می‌شوند) بدون آنکه نفر سوم (ایو) هیچ اطلاعی از کلید به دست آورد را توصیف می‌کند (حتی در صورتی که بتواند تمام مکالمات بین این دو نفر را شنود نماید.) برای رسیدن به این هدف آلیس قبل از فرستادن اطلاعات به باب آن‌ها را به بیت‌های کوانتومی تبدیل می‌کند. در این حالت اگر ایو تلاش کند این بیت‌ها را بخواند، پیغام‌ها مدخوش شده و آلیس و باب متوجه مداخله وی می‌شوند.

توزیع کلید کوانتومی بدون تحمیل هر گونه فرضیات محاسباتی امکان پذیر است (فرضیاتی که بیان می‌کنند بعضی از مسائل محاسباتی مانند تجزیه اعداد بزرگ زمان بسیار طولانی را روی کامپیوتر صرف می‌کنند). توزیع کلید کوانتومی دارای امنیت بدون قید و شرط است. تنها فرضیات پایدار ماندن قوانین مکانیک کوانتومی و وجود یک کانال شناسایی میان آلیس و باب است. داشتن یک کانال شناسایی امن به این معنا است که ایو نتواند خود را به جای آلیس یا باب معرفی نماید زیرا در غیر این صورت، حمله مردی در میان امکان پذیر می‌شود. در حال حاضر توزیع کلید کوانتومی تنها نمونه عملی از رمز نگاری کوانتومی می‌باشد.

 ادامه دارد...

منبع: roshd-hamshahrionline- wikipedia