حفظ اسرار

رمزنگاری کوانتوم از نظریه به واقعیت تبدیل شده است

در آزمایشگاه واتسن شرکت آی بی ام، "چالز به نت" به عنوان یکی از بهترین نظریه پردازان و پدران کاربرد کوانتوم در رایانه ها شناخته شده است. همانند بسیاری از نظریه پردازان، وی تجربه فراوانی در آزمایشگاه ندارد. فراموشی وی نسبت به جهان فیزیکی چنان بود که منجر به تبدیل چای سبز به چای قرمز به دلیل جوشیدن زیاد چای بر سر اجاق گاز شد. اما در 1989 وی و همکارانش اسمولین و براسارد هرگونه محافظه کاری را کنار نهاده و آزمایشی نوین را تجربه کردند که نشان می داد روش نوین رمزنگاری مبتنی بر قواعد مکانیک کوانتوم چگونه عمل می نمایند.

این گروه با ترتیب دادن آزمایشی که در آن فوتون ها از یک مسیر کاملا تاریک به طول 30 سانتی متر عبور می کردند و به آن "تابوت عمه مارتا" نام نهاده بودند اقدام کردند. جهت نوسان فوتون ها، پلاریزاسیون آنها، بیانگر صفر ها یا یک ها و به نوعی مجموعه ای از ارقام دیجیتال کوانتومی یا "کوبیت" بود. کوبیت ها در واقع نوعی "کلید" رمزنگاری بودند که برای رمزکردن یا رمزگشائی پیام ها به کار گرفته شدند. آنچه موجب شد تا کلید از چشمان ناپاک به دور بماند اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بود که در واقع یکی از شالوده های فیزیک کوانتوم است و بر اساس آن سنجش یکی از ویژگی ها در حالت کوانتوم منجر به عدم امکان سنجش ویژگی دیگر می شود. در رمزنگاری کوانتومی، هرگونه دسترسی بدون مجوز به جریان فوتون ها آنها را تغییر می دهد و این تغییر برای ارسال کننده و دریافت کننده پیام هر دو قابل درک خواهد بود. در عمل، این روش امکان ساختن کلید غیرقابل شکستن رمزنگاری را به وجود آورده است.

امروز رمزنگاری کوانتومی راهی طولانی را طی کرده و از طرحی نظری به واقعیت نزدیک شده است. سازمان امنیت ملی یا یکی از شعب بانک مرکزی امریکا اکنون می تواند از دو شرکت کوچک نظام های رمزنگاری کوانتومی را خریداری کند، ضمن این که محصولات جدیدی هم به زودی عرضه خواهند شد. این روش نوین رمزنگاری بیانگر اولین اجرای تجاری عمده علوم انفورماتیک کوانتومی است که در واقع مخلوطی از مکانیک کوانتوم و نظریه های اطلاعات است. فناوری نهائی که در این زمینه ظهور خواهد کرد می تواند یک رایانه کوانتومی باشد که چنان قدرتمند است که تنها روش حفاظت آن در برابر رمزگشائی صرفا استفاده از روش های رمزنگاری کوانتومی خواهد بود.

چالش رمزنگاران امروزی این است که ارسال کننده و دریافت کننده باید کلیدی مشترک داشته باشند و بدانند که شخص ثالثی این کلید را در دست ندارد. روشی که به آن رمزنگاری با کلید عمومی می گویند اغلب برای توزیع کلیدهای محرمانه و رمزگشائی پیام ها به صورت کامل مورد استفاده قرار می گیرد. امنیت رمزنگاری مبتنی بر کلید عمومی بستگی به فاکتورگیری یا دیگر روش های مشکل ریاضی دارد. محاسبه حاصل ضرب دو عدد بزرگ ساده است اما فاکتورگیری آن به اعداد اول بسیار مشکل می باشد. روش معروف آر اس ای برای رمزکردن که بیشتر در رمزنگاری با کلید عمومی مورد استفاده است، بر اساس فاکتورگیری است. کلید محرمانه با استفاده از کلید عمومی رمز شده که در دسترس عمومی است، به فرض عددی مانند 408508091 مورد استفاده قرار می گیرد (در عمل این عدد بسیار بزرگتر است). پیام رمز شده فقط با به کارگیری کلید خصوصی که در تملک دریافت کننده داده ها است و از دو عامل به فرض در این مورد 18313 و 22307 است گشوده خواهد شد.

رمزکردن مبتنی بر کلید عمومی ممکن است بتواند کلیدهای خصوصی را برای یک دهه یا بیشتر محفوظ بدارد. اما شروع دوران کوانتومی انفورماتیک و به ویژه توانائی رایانه های کوانتومی برای انجام عملیات فاکتورگیری چالش انگیز با سرعتی بالا می تواند منجر به خاتمه دوران رمزکردن بر اساس روش هائی مانند آر اس ای شود. یکی از اساتید انگلیسی می گوید: "اگر رایانه های کوانتومی به واقعیت تبدیل شوند، کل بازی عوض می شود."

برخلاف رمزکردن مبتنی بر کلید عمومی، رمزکردن کوانتومی باید هنگامی که رایانه های کوانتومی وارد بازار می شوند آماده باشد. یکی از روش های ارسال کلید رمز شده کوانتومی بین ارسال کننده و دریافت کننده ایجاب می کند تا یک لیزر یک فوتون که به یکی از دو حالت پولاریزه است را ارسال کند. در این ارسال فوتون ها یا عمودی یا افقی قرار دارند، در ارسال بعدی آنها 45 درجه به چپ یا راست متمایل خواهند بود. در هر یک از دو حالت، وضعیت فوتون ها بیانگر صفر یا یک خواهد بود. ارسال کننده، که از سوی رمزنگاران به نام آلیس نامیده می شود، یک سلسله ارقام دیجیتال ارسال می کند، و به صورت اتفاقی فوتون ها در حالت عمودی-افقی یا متمایل ارسال می شوند. دریافت کننده، که به نام باب خوانده می شود، تصمیم می گیرد تا به صورتی اتفاقی ارقام دیجیتال دریافتی را بسنجد. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ الزام می کند که ارقام دریافت شده فقط در یک حالت قابل سنجش هستند و نه در هر دو حالت. تنها ارقامی که باب در همان وضعیتی که آلیس ارسال کرده سنجیده شده باشند درست سنجیده شده اند و بدین ترتیب از اصالت ارزش آنها اطمینان خواهند داشت.

بعد از ارسال پیام، باب با آلیس تماس می گیرد (لزومی ندارد این تماس محرمانه باشد) و به وی اعلام می کند که هنگام دریافت هر فوتون چه وضعیتی را دریافت کرده است. البته وی صفر یا یک بودن هر یک از فوتون ها را اعلام نخواهد کرد. آلیس به باب می گوید کدام وضعیت به درستی سنجیده شده است. آنها هر دو فوتون هائی را که در وضعیت صحیح دریافت نشده اند در نظر نمی گیرند. وضعیت هائی که به درستی سنجیده شده اند کلید رمزگشائی را شکل می دهند و در واقع ورودی لازم برای رمزگشائی پیام به دست می آید.

اگر فردی تلاش کند تا این سلسله فوتون ها را ملاحظه کند، که معمولا به وی ایو گفته می شود، وی نخواهد توانست هر دو وضعیت را بسنجد، چون اصل عدم قطعیت هایزنبرگ چنین اجازه ای نمی دهد. اگر وی سنجش های خود را در وضعیت اشتباه انجام دهد، حتی اگر همه ارقام ارسال شده از سوی باب را به دست آورد، بدون تردید با خطا این کار را انجام داده است. آلیس و باب می توانند حضور عنصر ثالث را با مقایسه ارقام منتخب و بررسی خطاها درک کنند.

از سال 2003، دو شرکت محصولات تجاری که کلیدهای رمز شده کوانتومی را به فاصله ای بیشتر از 30 سانتی متر ارسال می کنند عرضه نمودند. و بعد از ارسال آن به 150 کیلومتری در دستور کار قرار گرفت و انجام شد. دیگران، از جمله آی بی ام، فوجیتسو، و توشیبا تلاش های جدی در زمینه های تحقیقاتی دارند.

محصولاتی که در بازار وجود دارند می توانند کلیدها را از طریق اتصال های فیبرهای نوری برای ده ها کیلومتر دورتر ارسال کنند. قیمت یکی از این نظام ها 70 هزار الی 100 هزار دلار است. یکی از مدیران این شرکت ها می گوید: "تعداد اندکی از مشتریان این نظام را خریده و مورد آزمایش قرار داده اند، اما در شبکه ها از آن استفاده نشده است."

برخی موسسات دولتی و بنگاه های مالی نگرانند که پیام های رمز شده امروز بتواند برای یک دهه یا بیشتر حفظ شده و با استفاده از رایانه های کوانتومی آینده گشوده شوند. یکی از محققان امور رمزنگاری کوانتومی دو نمونه از اطلاعاتی که باید برای مدت طولانی محرمانه بمانند را داده های خام آمارهای ملی، فرمول نوشابه های گازدار، یا دستورات ارسالی به ماهواره های تجاری اعلام می کند. (به یاد آورید که در سال 1986 فردی به نام کاپیتان نیمه شب توانست به مدت 4 دقیقه کنترل ماهواره اچ بی او را به دست گیرد.) از جمله مشتریان بالقوه نظام های رمزنگاری کوانتومی می توان به شرکت های مخابرات که علاقمند به ارائه خدمات مخابراتی فوق امن مخابراتی هستند اشاره داشت.

اولین تلاش برای استفاده از رمزنگاری کوانتومی در شبکه های واقعی – به جای ارتباطات نقطه به نقطه – آغاز شده است. یکی از بنگاه های دولتی تحقیقاتی طرحی را تامین اعتبار کرده که در آن شش نقطه از یک شبکه که بین چند دانشگاه قرار دارد. کلیدهای رمزکردن از طریق ارتصال های اختصاصی ارسال می شوند و پیام های رمز شده با این کلیدها از طریق اینترنت ارسال می گردند. به گفته مدیر این طرح: "این اولین استفاده مستمر از شبکه های رمزنگاری شده کوانتومی است که خارج از آزمایشگاه انجام می شود. تنها موضوع محرمانه ای که به نظرم می رسد این است که توقفگاه خودروها کجا است!" این شبکه چنان طراحی شده تا صرفا نشان دهد که این فناوری قابل بهره برداری است و در واقع فقط ترافیک طبقه بندی نشده اینترنت را هدایت می نماید. پائیز قبل، یکی از شرکت ها، شبکه ای را به نمایش گذاشت که اجازه می داد تا مجموعه ای از خادم های واقع در ژنو بتوانند داده های خود را در محلی با فاصله 10 کیلومتر کپی کنند و از طریق اتصال های رمز شده کوانتومی که به تواتر توزیع می شدند این کار را انجام دهند.

کاربردهای فعلی رمزنگاری کوانتومی در شبکه هائی است که گستره جغرافیائی کمی دارند. قدرت این روش – یعنی تغییر کلید به دلیل حضور شخص ثالث در انتقال داده ها – بدان معنی نیز هست که نشانه هائی که کلیدهای کوانتومی را حمل می کنند نمی توانند با استفاده از تجهیزات شبکه تقویت شوند و آنها را به تکرار کننده بعدی منتقل کنند. هر تقویت کننده نوری کوبیت ها را خراب خواهد کرد.

برای اتصال به فواصل دورتر، محققان به دنبال ابزاری به غیر از فیبرهای نوری برای توزیع کلیدهای کوانتومی هستند. دانشمندان به قله های کوه ها رفته اند – چون ارتفاع مداخلات جوی را کاهش می دهد – تا بتوانند اثبات کنند که ارسال کلیدهای کوانتومی از طریق بی سیم هم ممکن است. در یکی از آزمایش ها در سال 2002 یک اتصال 10 کیلومتری ایجاد شد. در آزمایشی دیگر، فاصله 23 کیلومتری بین دو قله کوه مورد استفاده قرار گرفت. با بهینه سازی این فناوری، و به کارگیری تلسکوپ های بزرگ برای اخذ داده ها، تفکیک کننده های بهتر و لایه های غیرمنعکس کننده – این احتمال وجود دارد که نظام هائی ساخته شوند که می توانند نشانه ها را به فواصلی بیشتر از 1000 کیلومتر ارسال کنند که این برای ارسال نشانه ها به ماهواره هائی که در مدارهای پائین زمین قرار دارند کافی خواهد بود. یک شبکه ماهواره ها بدین ترتیب امکان پوشش جهانی را به وجود خواهد آورد. آژانس فضائی اروپائی در مراحل اولیه تنظیم برنامه آزمایشی بین زمین و ماهواره ها است. (اتحاد اروپائی در تلاشی دیگر توسعه رمزنگاری کوانتومی در شبکه های ارتباطاتی انجام داده تا بتواند از فضولی های امریکائی ها از طریق نظام "اشه لان" که پیام های الکترونیکی را برای نظام های اطلاعاتی امریکا، انگلستان و دیگر کشورها انجام می دهد در امان بماند).

در نهایت رمزنگاران می خواهند به نوعی تکرار کننده کوانتومی داشته باشند – در عمل نوعی از رایانه کوانتومی است که می تواند محدودیت های فاصله را از میان بردارد. چنین تکرار کننده ای از طریق آنچه آلبرت اینشتین عمل در دور دست نام نهاده بود ممکن شود. یکی از محققان اتریشی اولین گام برای ساختن چنین تکرار کننده ای را در اوت 2004 برداشت و با استفاده از یک کابل فیبر نوری در تونل های فاضلاب زیر رودخانه دانوب و قراردادن فوتون ها در آن آزماشی انجام داد. سنجش های وضعیت پلاریزاسیون یک فوتون به فوریت پلاریزاسیونی مشابه و قابل سنجش در فوتون دیگری به وجود آورد.

این حرکت در دور دست موجب دغدغه خاطر اینشتین شده بود، اما این گروه محققان در واقع نوعی انتقال اطلاعاتی از طریق فوتون سومی در فاصله 600 متری دانوب را انجام داد. چنین نظامی می تواند چند مرتبه تکرار را ممکن سازد و بدین ترتیب کوبیت های یک کلید می توانند قاره ها و اقیانوس ها را طی کنند. برای واقعی شدن این امر لازم است اجزاء خاصی طراحی شوند که از جمله آنها می توان به حافظه های کوانتومی که بتواند کوبیت ها را بدون تخریب آنها در خود حفظ کند و دوباره آنها را در مسیر خود ارسال نماید اشاره کرد. یکی از اساتید امر می گوید: "این کارها هنوز در مراحل ابتدائی است. فعلا فقط آزمایشگاه های فیزیک این کارها را انجام می دهند."

برای ساختن حافظه های کوانتومی ممکن است بتوان از اتم ها، و نه فوتون ها استفاده کرد. آزمایشی که در شماره اکتبر نشریه ساینس منتشر شد نشان داد که این امر ممکن است. بر اساس نظرات محققان اتریشی، گروهی در موسسه فناوری جورجیا گزارشی تنظیم کردند که تشریح کرد چگونه دو توده ابر بسیار سرد شده اتم های روبیدیوم را می توان حفظ کرد. این آزمایش سپس وضعیت کوانتومی اتم ها را به فوتون تبدیل نمود که در واقع نوعی انتقال اطلاعات از ماده به نور بود و نشان می داد که چگونه می توان حافظه کوانتومی را ساخت. محققان امیدوارند تا با استفاده از چنین توده ابرهائی بتوانند کوبیت ها را به فواصل دور دست منتقل نمایند.

محفوظ ماندن کامل رمزنگاری کوانتومی مبتنی بر مجموعه ای از مفروضات است که لزومی ندارد در جهان بیرونی هم به واقعیت تبدیل شوند. یکی از این مفروضات این است که فقط یک فوتون نشان دهنده یک کوبیت است. رمزنگاری کوانتومی با استفاده از تکانه های لیزری و کاهش شدت آنها است که در عمل هر 10 تکانه یک فوتون تولید می کند و بقیه همه تاریک هستند. این خود می تواند یکی از دلایل پائین بودن نرخ انتقال اطلاعات باشد. اما این موضوع صرفا یک احتمال آماری است. ممکن است یک تکانه بیش از یک فوتون تولید کند. یک عنصر ثالث و غیرمجاز می تواند، از لحاظ نظری، یکی از این فوتون های اضافی را در اختیار گیرد و از آن برای گشودن پیام رمز شده استفاده نماید. یک چارچوب نرم افزاری موسوم به تقویت امنیت محافظت در برابر چنین کاری را از طریق پوشش دادن به ارزش کوبیت ها ممکن می سازد.

اما رمزنگاران علاقمندند تا منابع فوتونی و تشخیص دهنده های بهتری داشته باشند. سازمان های متعددی در این راستا تلاش می کنند. یکی از محققان می گوید: "یکی از زمینه های جالب توسعه تشخیص دهنده هائی است که می توانند تفاوت بین یک، دو یا چند فوتون که در یک زمان دریافت می شوند را انجام دهند." محققان در تلاش هستند تا مشکل انتقال کم سرعت را از طریق تولید کلیدهای کوانتومی با نرخ یک مگابایت در ثانیه – یعنی 100 برابر سریع تر از تلاش های قبلی برای توزیع کلیدهای کاربردی ویدئو – انجام دهند.

رمزنگاری کوانتومی هنوز می تواند در مقابل برخی حملات نامرسوم ناموفق باشد. ممکن است شخص ثالث غیرمجازی تشخیص دهنده دریافت کننده را تخریب کند و بدین ترتیب کوبیت های دریافتی دوباره به فیبر نوری نشت داده شود و به دست وی برسند. ضربه خوردن از درون سازمان هم همیشه یک دغدغه است که باقی خواهد ماند. یکی از متخصصان می گوید: "خیانت مهمترین روشی است که به کار می رود و مکانیک کوانتوم هم نمی تواند در مورد آن کاری انجام دهد." البته، در عصر رو به ظهور اطلاعات کوانتومی، این روش های حفظ اسرار می تواند از بسیاری از رمزهای مورد استفاده بهتر باشد.

نوشته: گاری ستیکز، ساینتیفیک امریکن، 20 دسامبر 2004

مترجم: امیرحسین توکلی