آینده رمزنگاری با اطلاعات کوانتومی

برای مقابله با تهدید رایانه‌های کوانتومی نسبت به روش‌های رمزنگاری فعلی، باید «آتش را با آتش پاسخ دهیم» — یا بهتر بگوییم: باید با کوانتوم، به جنگ کوانتوم برویم. فناوری‌ای به نام توزیع کلید کوانتومی (Quantum Key Distribution یا QKD) با بهره‌گیری از پدیده‌های مکانیک کوانتومی، امکان توزیع ایمن یک کلید دیجیتال را بین دو طرف فراهم می‌کند.

در QKD از بیت‌های اطلاعاتی کوانتومی استفاده می‌شود که به آن‌ها کیوبیت (qubit) می‌گویند. کیوبیت‌ها به‌طور بنیادی با بیت‌های کلاسیک متفاوت هستند. در حالی که بیت‌های کلاسیک تنها می‌توانند مقدار ۰ یا ۱ داشته باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند به‌طور هم‌زمان در ترکیبی از هر دو حالت ۰ و ۱ قرار بگیرند. ما دانشمندان کوانتومی به این پدیده برهم‌نهی (superposition) می‌گوییم. نکته جالب درباره برهم‌نهی این است که وقتی سعی کنیم کیوبیت را اندازه‌گیری کنیم، نتیجه فقط یکی از دو مقدار ۰ یا ۱ خواهد بود. در واقع، اندازه‌گیری باعث فروپاشی کیوبیت شده و حالت آن را تغییر می‌دهد.

یکی از روش‌های پیاده‌سازی توزیع کلید کوانتومی که در شکل ۱ نشان داده شده، توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه اندازه‌گیری (Measurement-Device Independent QKD یا MDI-QKD) است.

در این پروتکل، دو فرستنده به نام‌های آلیس و باب قصد دارند یک کلید محرمانه را با هم به اشتراک بگذارند. برای انجام این کار، آن‌ها اطلاعات خود را به‌صورت کیوبیت به یک مرکز مرکزی به نام چارلی ارسال می‌کنند. در ایستگاه چارلی، کیوبیت‌های آلیس و باب در یک تفکیک‌کننده پرتو (beam splitter) با هم تداخل می‌کنند و سپس می‌توانند به‌صورت درهم‌تنیده (entangled) درآیند.

درهم‌تنیدگی پدیده‌ای کوانتومی است که در آن دو کیوبیت به‌گونه‌ای به هم وابسته می‌شوند که دیگر نمی‌توان آن‌ها را به‌صورت مستقل از یکدیگر توصیف کرد. این امر منجر به همبستگی در نتایج اندازه‌گیری کیوبیت‌ها می‌شود، یعنی با اندازه‌گیری یکی از آن‌ها می‌توان نتیجه‌ی دیگری را نیز پیش‌بینی کرد.

در مرحله بعدی از پروتکل MDI-QKD، چارلی عملیاتی را انجام می‌دهد که به آن اندازه‌گیری حالت بل (Bell State Measurement) گفته می‌شود. این نوع اندازه‌گیری، کیوبیت‌های ارسال‌شده از سوی آلیس و باب را بر روی یک حالت درهم‌تنیده فرافکن می‌کند. با این حال، این حالت درهم‌تنیده فقط زمانی می‌تواند به‌وجود بیاید که آلیس و باب کیوبیت‌هایی با مقادیر کاملاً متضاد ارسال کرده باشند.

بنابراین، یک اندازه‌گیری موفق حالت بل حاوی اطلاعات ارزشمندی برای آلیس و باب است: بدون اینکه لازم باشد مستقیماً مقدار کیوبیتی را که خودشان ارسال کرده‌اند فاش کنند، آن‌ها همچنان می‌توانند مقدار کیوبیتی را که طرف مقابل فرستاده است تشخیص دهند. تنها اطلاعاتی که لازم دارند، مقدار کیوبیتی است که خودشان فرستاده‌اند و نتیجه‌ی اندازه‌گیری حالت بل توسط چارلی.

با استفاده از این اطلاعات، آلیس و باب می‌توانند از کیوبیت‌ها برای تولید یک بیت از کلید رمزنگاری استفاده کنند. آن‌ها این فرآیند را بارها تکرار می‌کنند تا یک کلید کامل بسازند؛ کلیدی که سپس می‌تواند در روش‌های کلاسیک رمزنگاری برای رمزگذاری و ارسال داده‌ها در شبکه استفاده شود.

کیوبیت‌هایی که آلیس و باب تولید می‌کنند کاملاً تصادفی هستند. از آنجا که کلید نهایی از این اطلاعات کیوبیتی ساخته می‌شود، خود کلید نیز ذاتاً تصادفی خواهد بود. این کلید به‌صورت مستقل از هر الگوریتمی توزیع می‌شود، و بنابراین به‌طور ذاتی در برابر قدرت پردازشی رایانه‌ها – حتی رایانه‌های کوانتومی – مقاوم است.