رمزنگاری کوانتومی

(قسمت دوم)

توزیع کلید کوانتومی

کدگذاری اطلاعات با استفاده از فوتون ها که جهت قطبش آن ها می تواند برای نشان دادن 0 یا 1 استفاده شود امکان‎پذیر است. بنابراین هر فوتون می‎تواند شامل یک bit از اطلاعات کوانتومی باشد (که qbit در مقابل bit در مکانیک کلاسیک نامیده می‎شود). روش‎های متفاوتی برای توزیع کلید وجود دارد. در علوم و فنون جدید بعدی به یکی از این رویکردها می‎پردازیم که اولین روشی است که برای حل مسئله‎ی توزیع کلید با استفاده از رمزنگاری کوانتومی توسط Charles H. Bennett و Gilles Brassard  در سال 1984 ارائه شد. این طرح BB84 نامیده می‎شود.

در این روش از حالت‌های قطبیده‌ی فوتون در یکی از چهار راستای 0 ، 90 ،45 و 135 درجه در انتقال اطلاعات استفاده می‌شود. فرستنده آلیس و گیرنده باب نامیده می‌شوند. آلیس و باب هر کدام دو قطبش‌گر یکی در راستای پایه‌ی قائم و دیگری در راستای پایه‌ی قطری دارند. آلیس می‌تواند از طریق یک کانال کوانتومی فوتون‌ها را برای باب بفرستد که این کانال می‌تواند فیبر نوری یا فضای آزاد باشد. و این دو از طریقِ یک کانال عمومی می‌توانند با یکدیگر بر سر نتایج بحث کنند. هم‌چنین فرض می‌شود شنودکننده دارایِ قدرتِ محاسباتی و دسترسیِ نامحدود به هر دوی این کانال‌هاست.

دو جفت پایه تعریف می‌کنیم: پایه ی قائم (+) با دو محورِ عمودی (0 درجه) یا افقی (90 درجه)، و پایه‌ی قطری (x) با دو محورِ   45 یا 135 درجه نسبت به محوری عمودی پایه‌ی اول.

بر طبق کوانتوم مکانیک اگر قطبش عمودی یا افقی باشد اندازه‌گیری در پایه‌یِ قائم (در هر یک از زوایایِ 0 یا 90 درجه) یک نتیجه‌ی درست عمودی یا افقی را می‌دهد ولی اندازه‌گیری در پایه‌ی قطری به طور تصادفی یا عمود یا افقی نتیجه می‌دهد. علاوه بر آن پس از این اندازه‌گیری جهت قطبش هم راستا با جهتی می‌شود که در آن اندازه‌گیری انجام شده است و تمام اطلاعات در مورد قطبشِ اولیه کاملا از بین می‌رود.

اعداد 0 و 1 را به ترتیب جدول زیر به هر کدام از پایه‌های قائم و قطری نسبت می‌دهیم:

برای مثال عدد قطبیدگی عمودی در پایه ی قائم 0 است. حالا آلیس یک بیت (0 یا 1) و یک پایه را برای آن انتخاب می کند و فوتون با قطبش مورد نظر را ساخته و با استفاده از یک کانال کوانتومی برای باب می‌فرستد. آلیس این کار را چندین بار تکرار می‌کند و هر بار تمام اطلاعات را ثبت می‌کند. باب از پایه‌هایی که آلیس انتخاب کرده است اطلاعی ندارد بنابراین تنها کاری که می‌تواند بکند این است که برای هر مرحله پایه‌ای را به‌طور تصادفی برای اندازه‌گیری انتخاب کند. جدول زیر یک نمونه از داده های ثبت شده توسط آلیس و باب را در یک آزمایش از این نوع نشان می‌دهد:

همان طور که در جدول بالا می‌بینیم پس از ثبت نتایج، آلیس و باب از طریق یک کانال عمومی با هم ارتباط برقرار می کنند. آلیس پایه ای را هر کدام از فوتون ها در آن فرستاده شده و باب پایه های اندازه گیری خود را منتشر می کنند. به این معنی که باب اعلام می کند که در چه پایه ای اندازه گیری انجام داده و آلیس می‌گوید درست است یا نه. اما هیچ یک از آن ها نتایج اندازه‌گیری را منتشر نمی کنند که در کدام مراحل نتایج آن ها با هم تطابق نداشته است. سپس آن ها اعداد مربوط به حالت های اشتباه را حذف می کنند و در نهایت برای هر یک از آن ها یک رشته از بیت ها باقی می‌ماند که در تطابق کامل با هم هستند.

امنیت رمزنگاری کوانتومی

سامانه‌های ارتباطی کوانتومی وعده‌ی رمزنگاری عملاً غیرقابل نفوذی را داده‌اند. برخلاف رمزنگاری کلاسیک، که امروزه برای ارسال داده‌های امن از آن استفاده می‌شود و امنیت آن وابسته به میزان دشواری حل مسائل ریاضی مانند تجزیه‌ی آن به عوامل اول اعداد بسیار بزرگ می‌باشد، بیشتر طرح‌های رمزنگاری کوانتومی1 کلیدهای رمزنگاری را از داده‌ها جدا نگه می‌دارند.

این روش تضمین می‌کند فرد حمله‌کننده با دست‌رسی صرف به داده‌ها نمی‌تواند کلید مربوطه را کشف نماید. با این حال، اخیراً محققان نشان داده‌اند که حتی رمزنگاری کوانتومی نیز ممکن است در معرض نفوذ قرار بگیرد.

توزیع کلید کوانتومی  Quantum Key Distribution(استفاده از مکانیک کوانتومی برای تضمین ارتباطات امن) یا QKD نوعی رمزنگاری کوانتومی است که در آن یک گذرواژه‌ی محرمانه بین دو طرف (که در آزمایش‌ها معمولاُ باب و آلیس نام دارند) به اشتراک گذاشته می‌شود. گذرواژه‌ی محرمانه یا کلید، به بیت‌هایی از داده‌ی کوانتومی تعمیم داده می‌شود، به‌طوری که شنودکننده‌ی احتمالی (که معمولاً ایو نام دارد) سعی دارد پیام را ره‌گیری نماید، در نتیجه در بیت‌ها اختلال ایجاد شده و آلیس و باب متوجه می‌شوند که فرآیند انتقال اطلاعات به خطر افتاده است. چنانچه در کلید اخلالی ایجاد نشود می‌توان از آن برای رمزگذاری پیام‌هایی که از طریق یک کانال ناامن ارسال می‌شوند استفاده نمود.

امنیت سامانه‌های توزیع کلید کوانتومی هرگز مطلق نیست، در حقیقت امنیت سامانه‌های QKD به 3 فرض بستگی دارد:

• محرمانگی اولیه‌ی گذرواژه

• صحت و کامل بودن نظریه‌ی کوانتوم

• قابلیت اطمینان دستگاه‌ها در سامانه‌ی ارتباطات کوانتومی

در رمزنگاری مستقل از دستگاه، اثبات امنیت صرفاً بر مبنای ارتباط مستقیم میان فرستنده و گیرنده صورت می‌گیرد و این مسأله هیچ ربطی به چگونگی ایجاد این ارتباط ندارد. حتی اگر آشکارساز کور شده باشد، تا زمانی که فرستنده و گیرنده ارتباط مناسبی را برقرار نمایند، یک کلید محرمانه را می‌توان از ارتباطات آن‌ها استخراج نمود. این قضیه با روی‌کرد سنتی تخمین امنیت رمزنگاری کوانتومی متفاوت است؛ روی‌کردی که تنها در یک مورد تقریباً غیرممکن متعبر است، این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که دستگاه دقیقاً مطابق معیارهای نظری کار کند.

رنر و سایر اعضای گروه وی مشغول کار روی محاسبات مبتنی بر نظریه‌ای هستند که به ایجاد امنیت مستقل از دستگاه در برخی از سامانه‌های QKD می‌انجامد. با بهر‌ه‌گیری از شیوه‌های اثبات مدرن می‌توان کمیت امنیت را از لحاظ احتمال شکست تعیین نمود. به ویژه این امکان وجود دارد که ادعاهایی همچون «احتمال اینکه سامانه‌ی خاص QKD مورد نفوذ واقع شود بین 10 الی 20 درصد است» را به حداقل رساند.

 ادامه دارد...

منبع:  roshd-hamshahrionline- ictc.aeoi