فهم التشفير الكمي لضمان الاتصالات الرقمية

فهم التشفير الكمي لضمان الاتصالات الرقمية

وفي عصر يسود فيه خروقات البيانات والصور الإلكترونية عناوين رئيسية، لم تكن الحاجة إلى قنوات اتصال مأمونة بشكل أساسي أكثر إلحاحا، كما أن أساليب التشفير الكلاسيكية - من وكالة الأمن الإقليمي إلى لجنة التنسيق الأوروبية - هي التي توفر معلومات أساسية عن المشاكل الحسابية التي يصعب حسابها بالنسبة للحواسيب الحالية، غير أن التقدم السريع في مجال الاختبار الكمي يهدد بجعل العديد من هذه القوانين البرمجية غير صالحة.

المبادئ الأساسية لرمز الكينتوم

وعلى عكس التشفير الكلاسيكي الذي يتلاعب بالأجزاء (الصفوف والواحد) باستخدام العمليات الرياضية، فإن التشفير الكمي يستغل سلوك الجسيمات على نطاق الكمي، والفكرة الأساسية هي أن أي محاولة لقياس أو اعتراض دولة كمية تزعجه حتما، مما يوفر وسيلة متأصلة للكشف عن التنصت، ويستكشف هذا الفرع المفاهيم الأساسية التي تجعل من الترميز الكميائي قويا.

توزيع الكميوز الرئيسي (QKD)

والتوزيع الرئيسي للكاينتيوم هو أكثر التطبيقات نضجاً ومعروفاً من التشفير الكمي، إذ يتيح لطرفين يُدعىان في نفس الوقت أليس وبوب أن يولدا ويتقاسما مفتاح التشفير المتسق مع الأمن غير المشروط، ويمكن استخدام المفتاح في ذلك الحين باستخدام خوارزميات التشفير الكلاسيكية (مثلاً، الألف) لتأمين الاتصالات اللاحقة.

نظرية عدم الاستنساخ و(هايزنبرغ)

وهناك مبدأان كميان يستندان إلى أمن الـ " QKD " ، و) نظريات لا تُستخدم في الإخفاء ، وهي تنص على أنه من المستحيل إنشاء نسخة مطابقة من حالة كمية غير معروفة، ولا يمكن للجهاز الاستنفاري أن ينسخ ببساطة المعلومات الكمية لتحليلها لاحقاً دون الإخلال بالتدخل الأصلي.

الاستقطاب والتوسيع

وفي نظم عملية لتحديد الهوية، يتم إدراج المعلومات في صور فردية باستخدام خصائص مثل الاستقطاب أو المرحلة أو الزمان، كما أن الاستقطاب في الصور هو أكثر أشكال الاستقطاب إلحاحا: يمكن إعداد صورة في أحد قاعدتي الاستقطاب - أي أساس قابل للكشف عن الوضعية - أو استشعار من قبل الدولة (الواقعية/الآفاقية) أو الاستنباط (45 درجة مئوية) وكل شكل من أشكال التصوير.

The Mechanics of Quantum Key Distribution

وفي حين أن الفكرة الأساسية واضحة، فإن بروتوكولات الـ (KKKD) تختلف في التنفيذ، إذ إن فهم الأسرتين الرئيسيتين - وهما: الأسر الأولى والتأكد، والقائمة على المشاركة - يُفيد برؤية عن كيفية تحقيق (KKKD) ضماناتها الأمنية.

البروتوكولات المعدّة والضمائية

وفي بروتوكولات الإعداد والتقدير، تُحدّد (أليس) حالات الخطأ الفردي (الصور عادة) وترسلها إلى بوب، ويضع (بوب) كل صورة على أساس اختيار عشوائي، وأكثر الأمثلة شهرة على ذلك هو B84 بروتوكول ، الذي يُختلق في تشارلز بينيت وجيل براسرد في عام 1984.

بروتوكولات المشاركة

ويستخدم هذا النوع من الصور المتشابكة، مثل بروتوكول E91 الذي اقترحه آرتور إيكيرت في عام ١٩٩١، زوجات من الصور التي لا تتشابك كمياً، ويحصل كل من أليس وبوب على صورة واحدة من زوجين متشابكين )ينشأ عنهما مصدر يسيطر عليه طرف موثوق به أو حتى إيف، مع إجراء عمليات فحص مناسبة(.

BB84 Protocol Example: Step-by-Step

وللإظهار، النظر في تبادل مبسط لأفضل الممارسات التجارية:

1. وتولد أليس سلسلة عشوائية (مثلاً، 10110011) وسلسلة عشوائية (مثلاً، RDDDRR حيث R=rectilinear، D=diagonal).
2. وتُعد أليس الصور الفوتوغرافية وترسلها وفقا لذلك (مثلا، الجزء 1 في الاستقطاب الرأسي = الاستقطاب الرأسي؛ وقليلا صفرا في الأساس التشخيصي = 45 درجة).
3. (بوب) يُقيس كل صورة على حدة بتسلسله العشوائي (مثلاً، (DRDRDRDD
4. (أليس) و(بوب) يعلنون عن تسلسلات الأساسات علناً، إنهم يحتفظون فقط بالأجزاء التي تتطابق فيها القواعد، في مواقعنا الثانية والرابعة والخامسة والسابعة التي قد تتطابق
5. وهي تقارن عينة عامة من القطع المحتفظ بها (يقول 20 في المائة من المفتاح الخام) لتقدير معدل الخطأ الكمي. وإذا كان معدل الخفض التراكمي للكميات 11 في المائة، فإنها لا تفترض أي تنقيب أو مسيرة.
6. وينتج التضخيم على الخصوصية وتصحيح الأخطاء مفتاحا نهائيا من أقصر مدة ولكن يمكن تأمينه.

مزايا التشفير الكلاسيكي

ويتيح الترميز الكمي عدة مزايا متميزة تجعل من الاختيار القاطع للاتصالات ذات الاتساع.

الأمن النظري للمعلومات

وتعتمد المواد الكيميائية التي تستخدمها أجهزة التبريد العامة على افتراضات مثل صعوبة استخدام أجهزة التبريد الكبيرة أو حل اللوغاريت المميزة، وهذه المشاكل لا تثبت أنها صعبة؛ ويمكن أن تكسرها في المستقبل اختراقات رياضية أو خوارزميات كمية، وعلى النقيض من ذلك، توفر قاعدة بيانات الكترونية ] [الدليل على أمن الاختراق الافتراضي :

اكتشاف التنقيب

وفي الاتصالات التقليدية، يمكن للناقل أن يعترض البيانات دون ترك أثراً على سبيل المثال، عن طريق استخدام كابل بصري للألياف والاستماع إلى الصور، وفي QKD، فإن أي قياس يزعج الحالة الكمية، ويدخل أخطاء إحصائية في المفتاح، ويمكن للألس وبوب أن يكتشفا هذه الأخطاء بمقارنة جزء صغير من قطع غيارهما الرئيسية، وإذا تجاوز المعدل حداً أدنى من التصورات.

مقاومة الحاسوب الكمي

(أ) حواسيب كمية من الكم على حل مشاكل مثل معامل التخثر (خوارزمية الشور) وقطع الأشجار المفصّلة، وهذه الهجمات ستكسر نظام تقييم المخاطر وإعادة التأهيل، وركيزة الأمن الحالي على الإنترنت، وقاعدة البيانات الإلكترونية هي محصنة من هذه الهجمات لأن أمنها متجذر من الناحية المادية وليس الرياضية، وفي حين أن الأشعة الصخرية يمكن أن تكسر نظرياً الأرقام المستخدمة في الكم.

التطبيقات والانتشارات العالمية الحقيقية

ولم يعد التشفير الكمي نظرياً فحسب، فقد أثبتت مشاريع تجريبية عديدة ونظم تجارية عديدة، خلال العقدين الماضيين، جدواها.

الاتصالات الحكومية والعسكرية

وقد استثمرت الأمم المتحدة، مثل الصين والولايات المتحدة وأعضاء الاتحاد الأوروبي، استثمارات كبيرة في البنية التحتية للاتصالات الكمي، وقد نجحت أجهزة الساتل الصيني Micius] التي أطلقت في عام 2016 في أداء الـ " QKD " بين القارات بين بيجين وفيينا، مما يثبت أن المفاتيح الكمية يمكن توزيعها على آلاف الكيلومترات عبر السواتل، وتستخدم الوكالات الحكومية " QKD " لحماية الكابلات الدبلوماسية، وبيانات الاستخبارات.

القطاع المالي

وتحتاج المصارف والمؤسسات المالية إلى أعلى مستويات الأمن للمعاملات، والمستوطنات بين المصارف، وبيانات العملاء، وقد قامت عدة مصارف بتجربة إدارة المعارف وحماية التحويلات الحساسة، وعلى سبيل المثال، أظهر المشروع المشترك بين توشيبا وكامبريدج كوانتوم أن الديوكسينات الموزعة في المقاطعة المالية في لندن، بينما لا يزال القطاع المالي معتمدا رئيسيا في وقت مبكر بسبب ارتفاع تكلفة حدوث خرق.

شبكات وسواتل الكواتم

وفيما عدا الروابط بين النقاط، يقوم الباحثون ببناء شبكات الكواشف [(FLT:0]]) التي تربط بين عدة قطع من القوارض عبر خطوط موثقة (أو أجهزة إعادة إرسال كمي في المستقبل) وستمكن شبكة الكواتم، وإن كانت لا تزال متنقلة، من القيام بحساب كمي موزع وتأمين الاتصالات عبر المدن والقارات.

التحديات والحدود الراهنة

ورغم وعدها، فإن التشفير الكمي يواجه عدة عقبات تقنية وعملية تحول دون اعتماده على نطاق واسع اليوم.

فقدان الإشارة والعلامات

وفي الألياف البصرية، يتم امتصاص الصور أو تفرقها، مما يحد من مسافة الـ KKD المباشرة إلى ما يقرب من 100 إلى 150 كيلومتراً بالنسبة للنظم التجارية، وما عدا ذلك، فإن معدل الجيل الرئيسي الناجح يصل إلى الصفر، ولا يجوز أن يعاد تحديد النطاقات الكميائية التي يمكن أن تولدها الولايات الكميائية دون إزعاجها، ما زالت في مرحلة البحث، وإلى أن تتوافر افتراضات عملية للتكرار، لا تتطلب وجود وصلات متوسطة

الاحتياجات من المعدات

وتتطلب نظم الكيمياء الكيميائي مصادر منفردة (أو ضعف نبضات متماسكة)، وأجهزة الكشف عن الفوتونيات الواحدة، وتوقيت ومتزامنة دقيقين، أما أجهزة الكشف الحالية، مثل أجهزة الكشف عن النانوويات الوحيدة الفوتونية، فهي بحاجة إلى التبريد المسبب للبرد، وهذا يزيد من التكلفة، والحجم، واستهلاك الطاقة، وفي حين أن الأجهزة المتكاملة للصور تقلل من هذه الحواجز، فإن معدات الأشعة الكبريتية لا تزال أكثر تكلفة بكثير من معدات الكلاسيكية.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة

وتعتمد معظم الشبكات التقليدية على أجهزة الوصل الإلكترونية والمضخمات والمفاتيح، وتتأثر إشارات الـ KKD بالهشاشة ولا يمكن تضخيمها بالمعنى الكلاسيكي؛ وتدمر أي عملية تضخيم الحالة الكمية، ويُحتمل وجود إشارات كمية وتقليدية على الألياف نفسها باستخدام بروتوكولات متعددة من الأشعة الملوحة، ولكن يلزم إجراء إدارة دقيقة للضوضاء والتداخل.

التوقعات والتطورات المستقبلية

وسيشهد العقد المقبل تقدما كبيرا في جعل الترميز الكمي عملي للاستخدام اليومي.

أجهزة الترميم والتردد الطويل الأجل

وتستخدم أجهزة إعادة الإرسال الكمي مبادلات الخنق وذاكرة كمية لتوسيع نطاق الـ (KKD) دون نقل موثوق بها، وقد أظهرت المظاهرات التجريبية نتائج واعدة على نطاق المختبرات، وعندما تصبح شبكات الكم قابلة للتطبيق تجاريا، تصبح شبكات الكميائية العالمية ممكنة، وتتابع الشركات مثل Kbitekk]، وتتابع الندوب الأكاديمية بنشاط هذا الهدف.

شفرات شفرات الكينتوم - سايف

While QKD provides a forward-vis solution, it does not replace all traditionalal encryption. many existing systems will need to migrate to quantum-resistant algorithms standardized by NIST (]Post-Quantum CryptographyK]).

التسويق والمعايير

وهناك شركات عديدة، منها شركة ID Quantique، وتكنولوجيات ماغيك، وتوشيبا، تقدم بالفعل نظماً للتشغيلات المتخصصة في مجال تكنولوجيا المعلومات، ومع تحسن معدلات التسرب والموثوقية، ستدخل شركة QKD شبكات مقدمي الخدمات عن بعد، وستدخل اتحادات صناعية مثل تحالف الإنترنت الكواتي (KKKK) والمنتدى الصناعي QKD في طور التوحيد.

خاتمة

إن التشفير الكمي يمثل تطورا أساسيا في أمن الاتصالات، إذ إنه من خلال الاستفادة من القوانين القابلة للتشغيل التي تنطوي على ميكانيكيات كمية، يوفر الأمن النظري للمعلومات التي لا يمكن أن تتطابق معها النظم الكلاسيكية، وفي حين أن التحديات التقنية لا تزال قائمة على البعد، وتكاليف المعدات، والتكامل - فإن التقدم المحرز على مدى العقود الثلاثة الماضية أمر ملحوظ، فمن الصلات القائمة على السواتل بالشبكات المصرفية، فإن التوزيع الرئيسي الكمي يحمي بالفعل البيانات التي لا يمكن أن تلحق الضرر.