يتوافق توزيع المفاتيح الكمومية مع تشفير ما بعد الكم

وفقًا لسيل تشي، محلل الأبحاث في مجموعة روديوم ومقرها نيويورك، هناك قائد واحد واضح في أبحاث وتطوير QKD – على الأقل في الوقت الحالي. يقول تشي: “على الرغم من أن الصين تتمتع على الأرجح بميزة في التشفير القائم على QKD بسبب استثمارها وتطويرها المبكر، إلا أن هناك دولًا أخرى تلحق بالركب”.

نوعان مختلفان من التكنولوجيا “الآمنة الكميًا”.

في قلب جهود التشفير المتنوعة هذه يوجد التمييز بين أنظمة QKD وأنظمة التشفير ما بعد الكم (PQC). يعتمد QKD على فيزياء الكم، التي ترى أن الكيوبتات المتشابكة يمكنها تخزين معلوماتها المشتركة بشكل آمن بحيث لا يمكن تجنب أي جهد للكشف عنها. إن إرسال أزواج من البتات الكمومية ذات الفوتون المتشابك إلى طرفي الشبكة يوفر الأساس لمفاتيح التشفير الآمنة ماديًا والتي يمكنها تأمين حزم البيانات المرسلة عبر تلك الشبكة.

عادةً، تُبنى أنظمة التشفير الكمي حول مصادر الفوتون التي تصدر أزواج فوتونات متشابكة، حيث يكون للفوتون A المتجه إلى أسفل طول واحد من الألياف استقطاب متعامد مع استقطاب الفوتون B المتجه في الاتجاه الآخر. يقوم متلقي هذين الفوتونين بإجراء قياسات منفصلة تمكن كلا المتلقيين من معرفة أن لديهم المعلومات المشتركة المنقولة بواسطة أزواج الفوتون هذه وأنهم وحدهم. (وإلا، إذا تدخل طرف ثالث وقام بقياس أحد الفوتونين أو كليهما أولاً، لكانت حالات الفوتون الدقيقة قد تغيرت بشكل لا يمكن إصلاحه قبل الوصول إلى المستلمين).

“لا يستطيع الناس التنبؤ نظريًا بأن خوارزميات PQC هذه لن يتم كسرها يومًا ما.” —دوغ فينكي، الذكاء الكمي العالمي

هذا الجزء المشترك بين الشخصين على طرفي نقيض من الخط يصبح بعد ذلك 0 أو 1 في مفتاح سري ناشئ يقوم المستلمان بتكوينه من خلال مشاركة المزيد والمزيد من الفوتونات المتشابكة. قم ببناء ما يكفي من 0 و1 من الأسرار المشتركة بين المرسل والمستقبل، ويمكن استخدام هذا المفتاح السري لنوع من التشفير القوي، يسمى لوحة المرة الواحدة، التي تضمن النقل الآمن للرسالة واستلامها بشكل صحيح من قبل المستلم المقصود فقط.

وعلى النقيض من ذلك، لا يعتمد التشفير ما بعد الكمي (PQC) على فيزياء الكم بل على الرياضيات البحتة، حيث يتم تصميم خوارزميات التشفير من الجيل التالي للعمل على أجهزة الكمبيوتر التقليدية. والتعقيد الهائل للخوارزميات هو الذي يجعل أنظمة أمان PQC غير قابلة للاختراق عمليًا، حتى بواسطة الكمبيوتر الكمي. لذا، يعمل المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا NIST على تطوير أنظمة PQC ذات معايير ذهبية والتي ستدعم شبكات واتصالات ما بعد الكم في المستقبل.

المشكلة الكبيرة في النهج الأخير، كما يقول دوج فينكي، كبير مسؤولي المحتوى في شركة Global Quantum Intelligence ومقرها نيويورك، هي أن PQC هي فقط يعتقد (على أدلة جيدة جدًا ولكنها ليست معصومة من الخطأ) لتكون غير قابلة للاختراق بواسطة كمبيوتر كمي مكتمل النمو. وبعبارة أخرى، لا يمكن لشركة PQC أن تقدم بالضرورة “الأمن الكمي” الصارم الذي وعدت به.

يقول فينكي: “لا يستطيع الناس التنبؤ نظريًا بأن خوارزميات PQC هذه لن يتم كسرها يومًا ما”. “من ناحية أخرى، QKD – هناك حجج نظرية مبنية على فيزياء الكم مفادها أنه لا يمكنك كسر شبكة QKD.”

ومع ذلك، قد تظل تطبيقات QKD في العالم الحقيقي قابلة للاختراق عبر القناة الجانبية والهجمات المستندة إلى الأجهزة وغيرها من الهجمات الذكية. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب QKD أيضًا الوصول المباشر إلى شبكة الألياف الضوئية الكمومية وتقنية الاتصالات الكمومية الحساسة، وكلاهما غير شائع تمامًا اليوم. يقول فينكي: “بالنسبة للأمور اليومية، بالنسبة لإرسال معلومات بطاقتي الائتمانية إلى أمازون على هاتفي المحمول، لن أستخدم نظام QKD”.

الصين في وقت مبكر QKD الرصاص تتضاءل

وفقًا لتشي، ربما اختارت الصين في الأصل QKD كنقطة محورية لتطوير التكنولوجيا الكمومية، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الولايات المتحدة كانت لا وتوجيه جهودها على هذا النحو. “[The] وتقول: إن التركيز الاستراتيجي على QKD قد يكون مدفوعًا برغبة الصين في تأمين ميزة تكنولوجية فريدة من نوعها، خاصة وأن الولايات المتحدة تقود جهود PQC على مستوى العالم.

وتشير على وجه الخصوص إلى تكثيف الجهود لاستخدام الوصلات الصاعدة والهابطة للأقمار الصناعية كأساس لأنظمة QKD الصينية في الفضاء الحر. نقلاً عن “أبو الكم” في الصين، يقول تشي، بان جيانوي، “لتحقيق تغطية الشبكة الكمومية العالمية، تعمل الصين حاليًا على تطوير قمر صناعي كمي متوسط ​​المدى، والذي من المتوقع إطلاقه في عام 2026 تقريبًا.”

ومع ذلك، فإن العامل المحدد في جميع أنظمة QKD حتى الآن هو اعتمادها النهائي على فوتون واحد لتمثيل كل كيوبت. ولا يمكن حتى لأشعة الليزر وخطوط الألياف الضوئية الأكثر دقة أن تفلت من ضعف الفوتونات الفردية.

مكررات QKD، التي من شأنها أن تكرر بشكل أعمى الحالة الكمومية للفوتون الواحد ولكن لا تسرب أي معلومات مميزة حول الفوتونات الفردية التي تمر عبرها – مما يعني أن المكرر لن يكون قابلاً للاختراق من قبل المتنصتين – غير موجودة اليوم. لكن، كما يقول فينكي، يمكن تحقيق مثل هذه التكنولوجيا، على الرغم من أنها تستغرق ما بين 5 إلى 10 سنوات على الأقل. يقول: “إنها بالتأكيد الأيام الأولى”.

“في حين أن الصين تتمتع على الأرجح بميزة في التشفير القائم على QKD بسبب استثمارها وتطويرها المبكر، إلا أن الآخرين يلحقون بالركب.” —سيل تشي، مجموعة روديوم

يقول فينكي: “في الصين، لديهم شبكة بطول 2000 كيلومتر”. “لكنه يستخدم هذا الشيء الذي يسمى العقد الموثوقة. أعتقد أن لديهم أكثر من 30 في شبكة بكين إلى شنغهاي. لذلك ربما كل 100 كيلومتر، لديهم هذه الوحدة التي تقيس الإشارة بشكل أساسي… ثم تجددها. لكن العقدة الموثوقة التي يجب عليك تحديد موقعها في قاعدة عسكرية أو في مكان ما من هذا القبيل. إذا اقتحم شخص ما هناك، فيمكنه اختراق الاتصالات”.

وفي الوقت نفسه، كانت الهند تحاول اللحاق بالركب، وفقًا لساتيام بريادارشي، أحد كبار مستشاري شركة Global Quantum Intelligence. يقول بريادارشي إن المهمة الكمومية الوطنية الهندية تتضمن خططًا لأبحاث اتصالات QKD، والتي تهدف في النهاية إلى ربط شبكات QKD بالمدن التي تزيد مسافاتها عن 2000 كيلومتر، وكذلك عبر شبكات اتصالات ساتلية طويلة المدى مماثلة.

ويشير بريادارشي إلى الجهود البحثية التي تبذلها الحكومة في مجال تطوير المعرفة الكمية – بما في ذلك جهود منظمة أبحاث الفضاء الهندية – والبحث والتطوير القائم على المؤسسات الخاصة، بما في ذلك شركة QuNu Labs للأمن السيبراني ومقرها بنغالورو. يقول بريادارشي إن QuNu، على سبيل المثال، كان يعمل على إطار عمل محوري وشعاعي يسمى ChaQra لـ QKD. (نطاق كما أرسلت طلبات للتعليق إلى المسؤولين في وزارة الاتصالات الهندية، والتي لم يتم الرد عليها حتى وقت كتابة المقالة.)

“إن الهجين من QKD وPQC هو الحل الأكثر ترجيحًا لشبكة آمنة كميًا.” – ساتيام بريادارشي، الذكاء الكمي العالمي

وفي الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي، تجري الآن جهود مماثلة في مرحلة مبكرة على قدم وساق. تم الاتصال به بواسطة IEEE الطيفومسؤولون من المعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات (ETSI)؛ والمنظمة الدولية للمعايير (ISO)؛ اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC)؛ وأكدت جمعية IEEE للاتصالات المبادرات ومجموعات العمل التي تعمل الآن على تعزيز تقنيات QKD والمعايير الناشئة التي تتشكل الآن.

يقول مارتن وارد، كبير علماء الأبحاث في مختبر أبحاث كامبريدج التابع لشركة توشيبا في إنجلترا، ورئيس مجموعة معايير صناعة QKD في المعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات: “في حين أن المعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات (ETSI) محظوظ بأن لديه خبراء في مجموعة واسعة من المواضيع ذات الصلة، إلا أن هناك الكثير مما يجب القيام به”. .

تصورت مصادر متعددة تم الاتصال بها من أجل هذه المقالة مستقبلًا محتملاً من المحتمل أن يكون فيه PQC هو المعيار الافتراضي لمعظم الاتصالات الآمنة في عالم الحوسبة الكمومية المنتشرة. ومع ذلك، لا تستطيع PQC أيضًا تجنب نقطة ضعفها المحتملة في مواجهة الخوارزميات والآلات الكمومية المتزايدة القوة أيضًا. تشير المصادر إلى أن هذا هو المكان الذي يمكن أن تقدم فيه QKD إمكانية الاتصالات الآمنة الهجينة التي لا تستطيع PQC وحدها توفيرها.

“يوفر QKD [theoretical] أمن المعلومات، في حين تمكن PQC Scalab[ility]يقول بريادارشي. “إن الهجين من QKD وPQC هو الحل الأكثر ترجيحًا لشبكة آمنة كميًا.” لكنه أضاف أن الجهود المبذولة للتحقيق في تقنيات ومعايير QKD-PQC الهجينة اليوم “محدودة للغاية”.

بعد ذلك، يقول فينكي، لا يزال بإمكان QKD أن يكون لها الكلمة الأخيرة، حتى في عالم يظل فيه PQC متفوقًا. ويشير إلى أن تطوير تقنية QKD حدث للتو لتوفير الأساس لإنترنت كمي في المستقبل.

يقول فينكي: “من المهم جدًا أن نفهم أن التوزيع الكمي الكمي هو في الواقع مجرد حالة استخدام واحدة لشبكة كمومية كاملة”.

يضيف فينكي: “هناك الكثير من التطبيقات، مثل الحوسبة الكمومية الموزعة ومراكز البيانات الكمومية وشبكات الاستشعار الكمومية”. “لذا، فحتى البحث الذي يجريه الأشخاص الآن في QKD لا يزال مفيدًا للغاية لأنه يمكن الاستفادة من الكثير من نفس هذه التكنولوجيا في بعض حالات الاستخدام الأخرى.”