گربه شرودینگر هکرها را بیکار می کند. امنیت کوانتومی و ارتباطی

جالب است بدانید که فیزیک کوانتومی یکی از بهترین راه‌ها را برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات محرمانه در ارتباطات ما فراهم می‌کند که حتی از نظر ریاضی دقیقاً ثابت شده است. در واقع با این اشاره کوانتومی 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 درهم تنیدگی کوانتومی قرار دارد و با آن می توان امنیت اطلاعات را به صورت کاملا امن حفظ کرد!

اما چگونه

توزیع کلید کوانتومی، امنیت اطلاعات و گربه شرودینگر

قبل از اینکه بدانید درهم تنیدگی کوانتومی و امنیت اطلاعات چگونه به هم مرتبط هستند، باید چند مفهوم از جمله توزیع کلیدهای کوانتومی را بدانید.

در واقع، توزیع کلید کوانتومی (QKD) یک روش ارتباطی امن است که یک پروتکل رمزنگاری مبتنی بر مکانیک کوانتومی را پیاده‌سازی می‌کند. این روش به دو نفر اجازه می دهد تا یک کلید مخفی تصادفی را به اشتراک بگذارند که می تواند برای رمزگذاری و رمزگشایی پیام ها استفاده شود. به طور کلی، توزیع کلید کوانتومی بر این فرض استوار است که دستگاه های مورد استفاده برای ایجاد و اندازه گیری ذرات کوانتومی باید کامل باشند. زیرا نقص های پنهان می تواند به جاسوسان اجازه نفوذ به سیستم را بدهد! بنابراین وجود سیستم های بی نقص می تواند کار را برای هکرها سخت کند.

از این نظر، سه تیم تحقیقاتی با تأیید کامل بودن دستگاه ها، توانسته اند ارتباطات کوانتومی ایمن را پیاده سازی کنند. در این روش که «توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه» نام دارد و مبتنی بر درهم تنیدگی کوانتومی است، یک رابطه مرموز بین ذراتی ایجاد می شود که خواص آنها حتی در فواصل طولانی به هم مرتبط است.

برای درک بهتر آنچه می خواهیم بگوییم، بیایید نگاهی به آزمایش فکری گربه شرودینگر بیندازیم! فرض کنید فیزیکدانی که احتمالاً گربه‌ها را زیاد دوست ندارد، گربه‌ای را در جعبه‌ای قفل شده با بمبی قرار می‌دهد که احتمال انفجار آن 50 درصد است. در چنین حالتی تا زمانی که شخصی در جعبه را باز نکند، متوجه نخواهید شد که آیا بمب منفجر شده و گربه مرده است یا خیر! بنابراین می توان تأیید کرد که قبل از مشاهده (باز کردن درب جعبه) گربه در حالت کنار هم قرار گرفته است. این بدان معناست که گربه در عین حال زنده و مرده است و نتیجه با باز شدن درب جعبه مشخص می شود. اما اگر درب جعبه باز شود، این برهم نهی از بین می رود و حالت کوانتومی خاصی (زنده یا مرده) دیده می شود.

در عین حال، علاوه بر برهم نهی کوانتومی، مفهوم جالب دیگری به نام درهم تنیدگی کوانتومی وجود دارد. بیایید به آزمایش فکری قبلی برگردیم. فرض کنید این بار به جای یک گربه در یک جعبه، دو گربه در دو جعبه متفاوت داریم! حال، اگر آزمایش را دوباره تکرار کنیم، نتیجه می تواند یکی از 4 احتمال زیر باشد:

4 امکان مختلف بین حالت های همپوشانی سیستم (دو جعبه و دو گربه)

قسمت جالب این است که علم کوانتومی به ما می آموزد که اگر امکان زنده بودن گربه ها و گربه های مرده را از حالت های برهم نهی حذف کنیم، تنها دو حالت برای سیستم باقی می ماند که یکی از گربه ها همیشه زنده و دیگری مرده است. . . در اصطلاح حرفه ای تر، این سیستم جدید را می توان به صورت Interlocking Modes دید! پس اگر من روی زمین با جعبه دربسته باشم و دوستم با جعبه خود به انتهای جهان سفر کند، اگر یکی از ما جعبه را باز کند و ببیند که گربه او زنده و سالم است. قبل از اینکه طرف مقابل به جعبه اش نگاه کند، می توان به او گفت که احتمالاً گربه اش در اثر انفجار بمب پودر شده است!

درهم تنیدگی کوانتومی را می توان به عنوان نوعی همبستگی ذرات تعریف کرد که در آن گروهی از ذرات با یکدیگر برهمکنش دارند به گونه ای که هیچ ذره ای در داخل گروه را نمی توان مستقل از وضعیت ذرات دیگر توصیف کرد.

نقش ذرات درهم تنیده در امنیت اطلاعات

در دنیای امروز، اکثر مردم اطلاعات مهمی مانند رمز عبور کارت اعتباری، کد ورود به سیستم شخصی یا کلید داده را از طریق اینترنت منتقل می کنند تا فقط شخص یا پلتفرم مورد نظر بتواند آن را بخواند. اما این روند یک مشکل جدی دارد! آیا تا به حال فکر کرده اید که چگونه فرستنده و گیرنده در یک ارتباط راه دور می توانند یک کلید یا رمزگذاری را به اشتراک بگذارند در حالی که مطمئن می شوند هیچ کس (در راه) آن را رهگیری نمی کند؟

فیزیک کوانتومی یک راه حل خالص برای این دارد! به این ترتیب، سیستم یک سری ذرات کوانتومی درهم تنیده (مثلا فوتون ها) را منتقل می کند و سپس با اعمال اندازه گیری روی این ذرات، راهی برای به اشتراک گذاشتن کلیدها به روشی واقعا امن فراهم می کند. در این فرآیند، از طریق کنترل‌ها و اندازه‌گیری‌های فرستنده و گیرنده، کاربران می‌توانند مطمئن شوند که هیچ کس دیگری کلید را رهگیری نکرده است. بنابراین از این کلیدهای مخفی برای رمزگذاری اطلاعات حساس پس از ساخت استفاده می شود.

در عین حال، لازم است تأکید شود که امنیت اطلاعات استاندارد اینترنت مبتنی بر یک پایه نسبتاً متزلزل از مسائل ریاضی است که ممکن است حل آنها برای رایانه‌های امروزی دشوار باشد، اما احتمالاً در برابر رایانه‌های کوانتومی آینده شانسی نخواهند داشت. . به عنوان مثال تصور کنید که دستگاه شما قرار است یک فوتون ساطع کند اما ناآگاهانه دو فوتون ساطع می کند، بنابراین وجود چنین شکاف هایی به این معنی است که اثبات ریاضی ایمنی چندان قوی نیست. یک هکر یا جاسوس می تواند کلید مخفی شما را کشف کند، حتی اگر انتقال امن به نظر برسد!

در چنین حالتی، توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه می تواند این شکاف ها را به خوبی پر کند. این روش از یک تکنیک کوانتومی خاص به نام تست بل سرچشمه می گیرد که شامل اندازه گیری ذرات درهم تنیده می شود. جالب است بدانید که چنین آزمایشاتی می تواند ثابت کند که مکانیک کوانتومی واقعاً دارای خواص شبح آور است! این بدان معناست که اندازه گیری یک ذره در یک مکان می تواند با اندازه گیری یک ذره دور در مکان دیگر مرتبط باشد. در سال 2015، محققان اولین آزمایش بل “بدون حفره” را انجام دادند و نشان دادند که این ماهیت ضد شهودی فیزیک کوانتومی کاملا واقعی است.

روش توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه مشکلات ذکر شده را ندارد و از آزمایش بل مشتق شده است که شامل اندازه گیری بر روی ذرات درهم تنیده است.

رفتن از یک پرسش فلسفی به ساختن یک سیستم واقعی

برای آزمایش آزمایش بل، فیزیکدانان از اتم های استرانسیوم درهم تنیده و باردار استفاده کردند که حدود دو متر از هم فاصله داشتند. به این معنا، محققان با اندازه‌گیری این یون‌ها تأیید کردند که دستگاه‌هایشان کلیدی مخفی بدون نقص یا نقض امنیتی تولید می‌کنند. به طور کلی، این آزمایش مبتنی بر استفاده از یک سیستم جفت شده از یک اتم با یک میدان حفره کوچک برای ایجاد یک حالت درهم تنیده خاص بین اتم و نور ساطع شده از حفره بود تا بتوان ترکیبی مفید برای آزمایش آزمایش بل ایجاد کرد. . .

لازم به ذکر است که استفاده از فوتون یکی از چالش های کار بر روی آزمایش های با فواصل طولانی تر است، زیرا فوتون ها اغلب در فرآیند انتقال و تشخیص از بین می روند. البته، باید در نظر داشته باشید که آزمایش‌های «بدون حفره‌ها» بل در حال حاضر کار ساده‌ای نیست و استفاده از تکنیک‌های او حتی از خود داستان نیز چالش‌برانگیزتر است. گیسین، یکی از محققین در این زمینه، اذعان دارد که با وجود همه این چالش ها، توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه ایده بسیار جذابی است. زیرا آزمایش بل برای پاسخ به یک سوال فلسفی در مورد ماهیت واقعیت و اینکه آیا فیزیک کوانتومی آنقدر که به نظر می رسد عجیب است یا خیر طراحی شده است. اما حالا این تست به ابزاری تبدیل شده که قادر خواهد بود آینده امنیت اطلاعات را تضمین کند!

DP Nadlinger و همکاران. . طبیعت. جلد 607، 28 جولای 2022، ص. 682. doi: 10.1038/s41586-022-04941-5.

دبلیو ژانگ و همکاران . طبیعت. جلد 607، 28 جولای 2022، ص. 687. doi: 10.1038/s41586-022-04891-y.

W.-Z. لیو و همکاران نامه های بررسی فیزیکی جلد 129، 29 ژوئیه 2022، ص. 050502. doi: 10.1103/PhysRevLett.129.050502.

ک.شلم. طبیعت. جلد 607، 28 جولای 2022، ص. 662. doi: 10.1038/d41586-022-01987-3