گربه‌ی شرودینگر هکرها را بی‌کار خواهد کرد؛ کوانتوم و امنیت ارتباطات
جالب است بدانید که فیزیک کوانتومی ارائه دهنده‌ی یکی از بهترین راه‌ها برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات محرمانه در ارتباطات ما است که حتی از نظر ریاضی هم به شکلی دقیق ثابت شده است؛ درواقع با این پیشنهاد کوانتومی برای همیشه از چشمان کنجکاو هکرها و جاسوسان در امان خواهید بود! چنین پیشنهادی در دل مفاهیمی به نام توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه و درهم‌تنیدگی کوانتومی قرار دارد و با وجود آن می‌توان امنیت اطلاعات را به شکل کاملا مطمئنی حفظ کرد!
اما چگونه؟
توزیع کلید کوانتومی، امنیت اطلاعات و گربه‌ی شرودینگر
قبل از اینکه با چگونگی ارتباط بین درهم‌تنیدگی کوانتومی و امنیت اطلاعات آشنا شوید، لازم است در مورد یکسری از مفاهیم آگاهی کافی پیدا کنید، از جمله توزیع کلید کوانتومی «Quantum Key Distribution»!
درواقع توزیع کلید کوانتومی (QKD) یک روش ارتباط امن است که یک پروتکل رمزنگاری مبتنی بر مکانیک کوانتومی را پیاده سازی می‌کند. این روش امکان اشتراک‌گذاری یک کلید تصادفی و مخفی را بین دو شخص فراهم می‌کند، که می‌توان از آن برای رمزگذاری و رمزگشایی پیام‌ها استفاده کرد. به طور کلی توزیع کلید کوانتومی بر این فرض استوار است که دستگاه‌هایی که برای ایجاد و اندازه‌گیری ذرات کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید بی‌نقص باشند؛ چراکه نقص‌های پنهان می‌تواند به جاسوس‌ها اجازه نفوذ به سیستم را بدهد! بنابراین وجود سیستم‌های بی‌نقص می‌تواند کار را برای هکرها سخت کند!
در همین راستا سه تیم تحقیقاتی توانسته‌اند که ارتباطات کوانتومی ایمنی را با تایید بی‌نقص بودن دستگاه‌ها اجرا کنند. در این روش که توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه «Device independent Quantum Key Distribution» نامیده می‌شود و مبتنی بر درهم‌تنیدگی کوانتومی است، یک رابطه‌ی مرموز بین ذراتی که خصوصیات آن‌ها حتی در فواصل طولانی، به هم مرتبط است، ایجاد می‌شود.
به منظور درک بهتر آنچه قرار است بیان کنیم، اجازه دهید گریزی به آزمایش ذهنی گربه‌ی شرودینگر «Schrödinger’s cat» بزنیم! فرض کنید فیزیکدانی که احتمالا از گربه‌ها چندان دل خوشی ندارد، گربه‌ای را به همراه یک بمب که ۵۰ درصد احتمال انفجار دارد در جعبه‌ای با درب بسته قرار می‌دهد. در چنین حالتی تا زمانی که کسی درب جعبه را باز نکند، متوجه نخواهد شد که بمب منفجر شده و گربه مرده است یا خیر! بنابراین می‌توان ادعا کرد که قبل از مشاهده (باز کردن درب جعبه) گربه در یک حالت برهم‌نهی قرار دارد؛ به این معنی که گربه به طور همزمان در حالت مرده و زنده است و نتیجه با باز شدن درب جعبه آشکار می‌شود. این در حالی است که اگر درب جعبه باز شود، این برهم‌نهی از بین می‌رود و یک حالت کوانتومی خاص (مرده یا زنده) دیده خواهد شد.
در عین حال علاوه بر برهم‌نهی کوانتومی، مفهوم جالب دیگری با عنوان درهم‌تنیدگی کوانتومی هم مطرح است. اجازه دهید دوباره به آزمایش ذهنی قبلی گریزی بزنیم. فرض کنید این بار به جای یک گربه در یک جعبه، دو گربه در دو جعبه‌ی متفاوت داریم! حال اگر آزمایش را دوباره تکرار کنیم، نتیجه می‌تواند یکی از ۴ احتمال زیر باشد:
۴ احتمال مختلف در بین حالت‌های برهم‌نهی سیستم (دو جعبه و دو گربه)
بخش جالب ماجرا اینجاست که علم کوانتوم به ما می‌آموزد اگر احتمال هر دو گربه‌ی زنده و هر دو گربه‌ی مرده را از حالت‌های برهم‌نهی حذف کنیم، تنها دو حالت برای سیستم باقی می‌ماند، که در آن همیشه یکی از گربه‌ها زنده و یکی مرده است. به عبارت حرفه‌ای‌تر می‌توان به این سیستم جدید به عنوان حالت‌های درهم‌تنیده نگاه کرد! بنابراین اگر من با جعبه‌ای درب بسته در زمین باشم و دوست من با جعبه‌ی خود به آن سَر کیهان سفر کند، در صورتی که یکی از ما درب جعبه را باز کند و ببیند که گربه‌اش زنده و سرحال است؛ قبل از اینکه دیگری نگاهی به جعبه‌ی خود بیاندازد، می‌توان به او گفت که با احتمال صدرصد گربه‌اش با انفجار بمب پودر شده است!
درهم‌تنیدگی کوانتومی را می‌توان به نوعی همبستگی ذرات تعریف کرد که در آن گروهی از ذرات به‌گونه‌ای با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند که هیچ ذره‌ای در درون گروه را نتوان به‌طور مستقل از حالت سایر ذرات توصیف کرد!
نقش ذرات درهم‌تنیده در امنیت اطلاعات
در دنیای امروز، اغلب مردم اطلاعات مهمی همچون رمز کارت اعتباری، کد ورود به پلتفرم شخصی یا کلید اطلاعات خود را با استفاده از اینترنت جابه‌جا می‌کنند، به طوری که تنها برای شخص یا پلتفرم مدنظر قابل خواندن باشد؛ اما این فرآیند مشکلی جدی دارد! تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که چگونه فرستنده و گیرنده در ارتباطی از راه دور می‌توانند کلید یا رمزی را با یکدیگر به اشتراک بگذارند و در عین حال مطمئن باشند که هیچ‌کس (در طول مسیر) آن را رهگیری نمی‌کند؟
فیزیک کوانتوم راه‌حلی ناب برای این کار دارد! به این شکل که سیستم یکسری ذرات کوانتومی درهم‌تنیده (به عنوان مثال فوتون)، را انتقال می‌دهد و پس از آن با اعمال اندازه‌گیری‌هایی روی این ذرات، راهی برای به اشتراک گذاشتن کلیدها به شکلی حقیقتا امن فراهم می‌شود. در این فرآیند طی بررسی‌ها و اندازه‌گیری‌های فرستنده و گیرنده، کاربران می‌توانند مطمئن شوند که هیچ فرد دیگری کلید را رهگیری نکرده است؛ بنابراین این کلیدهای مخفی، پس از ساخت برای رمزگذاری اطلاعات حساس به کار برده می‌شوند.
در عین حال لازم به تاکید است که امنیت اطلاعات در اینترنت استاندارد بر پایه‌‌های نسبتاً متزلزلی از مسائل ریاضی استوار است که شاید حل آن‌ها برای رایانه‌های امروزی دشوار باشد، اما احتمالا در برابر رایانه‌های کوانتومی آینده شانسی نداشته باشند. به عنوان مثال تصور کنید دستگاه شما قرار است یک فوتون ساطع کند اما بدون اینکه بدانید دو فوتون ساطع می‌کند، بنابراین وجود چنین شکاف‌هایی به این معنی است که اثبات ریاضی امنیت چندان پا بر جا نیست. یک هکر یا جاسوس می‌تواند کلید مخفی شما را کشف کند، حتی اگر آن انتقال امن به نظر برسد!
در چنین حالتی توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه، می‌تواند چنین شکاف‌هایی را به خوبی پوشش دهد! این روش از یک تکنیک کوانتومی خاص موسوم به آزمایش بل (Bell test) نشات گرفته می‌شود که شامل اندازه‌گیری بر روی ذرات درهم‌تنیده است. جالب است بدانید که چنین آزمایش‌هایی می‌تواند ثابت کند که مکانیک کوانتومی حقیقتا دارای ویژگی‌های شَبح‌طور است! به این معنی که اندازه‌گیری‌های یک ذره در یک مکان می‌تواند با اندازه‌گیری‌های ذره‌ای دور در مکانی دیگر مرتبط باشد. در سال ۲۰۱۵، محققان برای اولین بار آزمایش بل از نوع «Loophole-free» را اجرا کردند و نشان دادند که این ماهیت غیر شهودی فیزیک کوانتومی، کاملا واقعی است!
روش توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه مشکلات نام برده را ندارد و از آزمایش بل که شامل اندازه‌گیری بر روی ذرات درهم‌تنیده است، ناشی می‌شود!
حرکت از یک سوال فلسفی به سمت ساخت سیستمی واقعی
به منظور اثبات آزمایش بل، فیزیکدانان از اتم‌های استرانسیم (Strontium atoms) درهم‌تنیده و بارداری استفاده کردند که در فاصله‌ی حدودا دو متر از هم قرار داشتند. در همین راستا محققان با اندازه‌گیری این یون‌ها تأیید کردند که دستگاه‌های آن‌ها بدون هیچ‌گونه نقص و شکافی در امنیت، یک کلید مخفی تولید کرده است. به طور کلی این آزمایش بر مبنای استفاده از یک سیستم جفت‌شده از یک اتم با میدان کاواکی کوچکی برای تولید حالت درهم‌تنیده‌ی خاصی بین اتم و نور منتشر شده از کاواک بود تا به وسیله‌ی آن بتوان ترکیبی مفید برای اثبات آزمایش بل را به وجود آورد.
لازم به ذکر است که استفاده از فوتون از جمله چالش‌های کار در آزمایش‌هایی با فواصل بیشتر است، چراکه فوتون‌ها اغلب در فرآیند انتقال و تشخیص از بین می‌روند. البته باید در نظر داشته باشید که در حال حاضر آزمایش‌های بل از نوع «Loophole-free» کار ساده‌ای نیست و اعمال تکنیک‌های آن حتی چالش‌برانگیزتر از خود داستان است. گیسین «Gisin» یکی از محققان این حوزه اذعان دارد که با وجود تمام این چالش‌ها، توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه، یک ایده کاملاً جذاب است؛ چراکه آزمایش بل برای پاسخ به یک سوال فلسفی در مورد ماهیت واقعیت و اینکه آیا فیزیک کوانتوم آنقدر که به نظر می‌رسد عجیب است یا خیر طراحی شده بود. اما هم اکنون این آزمایش به ابزاری تبدیل شده است که قادر خواهد بود آینده امنیت اطلاعات را تضمین کند!
منابع اصلی:
D.P. Nadlinger et al. Experimental quantum key distribution certified by Bell’s theorem. Nature. Vol. 607, July 28, 2022, p. 682. doi: 10.1038/s41586-022-04941-5.
W. Zhang et al. A device-independent quantum key distribution system for distant users. Nature. Vol. 607, July 28, 2022, p. 687. doi: 10.1038/s41586-022-04891-y.
W.-Z. Liu et al. Toward a photonic demonstration of device-independent quantum key distribution. Physical Review Letters. Vol. 129, July 29, 2022, p. 050502. doi: 10.1103/PhysRevLett.129.050502.
K. Shalm. Entanglement provides a key to improved security. Nature. Vol. 607, July 28, 2022, p. 662. doi: 10.1038/d41586-022-01987-3
منبع: Science News
