رمزنگاری کوانتومی چیست؟ ⚡️نحوه کارکرد + مزایا

اگر در مورد علم رمزنگاریرمزنگاری چیست؟ بررسی انواع رمزنگاری و ویژگی های رمزنگاریرمزنگاری چیست و چگونه کار میکند؟ این مقاله عالی به معرفی رمز نگاری، انواع رمزنگاری از جمله متقارن و نامتقارن، الگوریتم های رمزنگاری و تاریخچه آن پرداخته است اطلاعاتی داشته باشید، حتما می‌دانید که علم رمزنگاری، علم ریاضیات مربوط به یافتن اعداد بزرگ براساس اعداد اول و تولید کلیدهای رمزنگاری است. با توجه به بزرگ بودن این اعداد، اگر کامپیوترکامپیوتر چیست؟ ⚡️ کامپیوتر چیست به زبان سادهاین مقاله عالی توضیح داده که کامپیوتر چیست و چه کاربردی دارد و همه چیز درباره کامپیوتر از جمله فواید کامپیوتر و تعریف کامپیوتر و اجزای آن را بیان کرده است ها بخواهند رمزها را بشکنند، باید محاسبات بسیار زیادی را انجام دهند. به‌طور معمول این محاسبات بیش از یک صد هزار سال در کامپیوترهای کلاسیک طول خواهد کشید اما وقتی سخن از کامپیوتر و سرعت کامپیوترهای کوانتومیکامپیوتر کوانتومی چیست؟همه چیز درباره کامپیوترهای کوانتومیبراستی کامپیوتر کوانتومی چیست؟ این مقاله عالی به بررسی و معرفی کامپیوترهای کوانتومی به زبان ساده پرداخته است، همچنین قدرت کامپیوترهای کوانتومی را بررسی کرده به میان می‌آید، سخن از چند صد میلیون و تریلیون برابر سرعت بیشتر مطرح می‌شود!

اگر کامپیوترهای کوانتومی موفق شوند تا محاسبات مربوط به رمزگشایی را در کسری از ثانیه انجام دهد چه اتفاقی خواهد افتاد؟ قطعا فاجعه عظیمی به‌وقوع می‌پیوندد؛ چرا که تمامی امنیت سیستم‌های جهان که تاکنون ساخته شده است بر مبنای رمزنگاری های کلاسیک است و شکسته شدن رمز آنها برابر است با نابودیشان؛ به‌عنوان مثال سیستم‌هایی مانند بیت کوینبیت کوین چیست؟ از 0 تا 100 بیت کوین به زبان سادهبراستی بیت کوین چیه؟ افراد زیادی می‌خواهند با بیت کوین آشنا شوند، اما نمی‌توانند در سایت‌ها توضیح ساده ای از بیت کوین بیابند، این مقاله به توضیح بیت کوین به زبان ساده پرداخته است و اتریوممعرفی ارز دیجیتال اتریوم، اتریوم چیست و چرا به وجود آمد؟این صفحه فوق العاده به معرفی ارز دیجیتال اتریوم (Ethereum) پرداخته و بررسی کرده است که چه لزومی به ایجاد اتریوم (ETH) بوده و چرا اتریوم (ETH) به وجود آمده یا کلا ارز دیجیتالارز دیجیتال چیست به زبان ساده، معرفی انواع ارز دیجیتالاین مقاله عالی به معرفی ارز دیجیتال به زبان ساده پرداخته، سپس به معرفی ویژگی های و انواع ارز دیجیتال و اینکه قیمت ارزهای دیجیتال چگونه تعیین می‌شود پرداخته و بلاکچینبراستی بلاکچین چیست؟ از 0 تا 100 بلاکچین به زبان سادهبراستی بلاکچین چیست؟ افراد زیادی می‌خواهند با بلاکچین آشنا شوند، اما نمی‌توانند در سایت‌ها توضیح ساده ای از بلاکچین بیابند، این مقاله به توضیح بلاچین به زبان ساده پرداخته که بر پایه همین رمزنگاری ها بنا شده‌اند، دیگر هیچ امنیتی نخواهند داشت بنابراین، دانشمندان به فکر راهی افتادند تا به‌وسیله علوم کوانتومی، شیوه جدیدی از رمزنگاری را که با نام رمزنگاری کوانتومی (QC) شناخته می‌شود را به‌وجود بیاورند. در سال 2016، موسسه ملی فناوری و استانداردها یا NIST یک رقابتی برای طراحی الگوریتمالگوریتم چیست به زبان ساده و با مثال های فراواندر این مقاله به زبان بسیار ساده و با مثال های متعدد توضیح داده شده که الگوریتم چیست و چه کاربردهایی دارد های کوانتومی را آغاز کرد و هدف آن تولید الگوریتم‌هایی برای رمزنگاری پساکوانتومی و ایمن کردن اطلاعات بود. بسیاری از شرکت‌های فناوری اطلاعات به این رقابت پیوستند و شروع به ارتقاء دادن و تجاری‌سازی رمزنگاری پساکوانتومی یا Post Quantum Cryptography (PQC) کردند.

رمزنگاری کوانتومی چیست؟

رمزنگاری کوانتومی یک شیوه رمزنگاری است که از خاصیت فیزیک کوانتوم برای ایمن کردن انتقال داده استفاده‌ می‌شود به‌طوری‌که قابل هک‌کردن نباشد. به‌طورکلی هدف از فرایند رمزنگاری این است که از داده‌ها محافظت شود به‌طوری‌که تنها فردی که کلید صحیح رمزگشایی را داشته باشد قادر به گشودن رمز داده‌ها باشد. البته رمزنگاری کوانتومی از آن چیزی که امروزه به‌عنوان رمزنگاری می‌شناسیم تفاوت دارد. رمزنگاری کنونی بر‌مبنای محاسبات ریاضیاتی ساخته شده‌ است درحالی‌که رمزنگاری کوانتومی بر‌مبنای علم فیزیک است.

رمزنگاری کوانتومی کاملاً ایمن است و تنها دارندگان پیام‌های ارسال‌شده و دریافت‌شده از فرستنده و گیرنده قادر به خواندن محتوای داده‌های رمزنگاری شده هستند؛ همچنین کپی‌کردن داده‌ها و یا مشاهده‌ کردن آنها بدون تغییر‌دادن حالت کوانتومی امکان‌پذیر نیست (به دلیل ماهیت کوانتومی بودن) نکته دیگری که حائز‌اهمیت است این است‌ که رمزنگاری کوانتومی در برابر کامپیوتر‌های کوانتومی نیز ایمن است و دیگر سرعت بالای پردازش کوانتومی بر‌ایمان مشکل‌ساز نخواهد بود.

رمزنگاری کوانتومی بر‌مبنای انتقال داده در قالب ذرات سازنده نور یا همان فوتون‌ها بنا شده است. فوتون‌ها در یک کابل فیبر‌نوری بین فرستنده و گیرنده جابه‌جا می‌شوند. دراینجا فوتون‌ها درواقع نقش همان بیت‌های دودویی را دارد. امنیت داده‌ها نیز بر‌مبنای فیزیک کوانتومی برقرار می‌شود. کوانتومی بودن این ذرات تأمین‌کننده امنیت این نوع رمزنگاری هستند. حالا دلایل اینکه چرا ذرات کوانتومی باید این‌گونه باشد را در لیست زیر می‌توانید مشاهده کنید:

• ذرات کوانتومی موجود درداده‌های کوانتومی که به آن کیوبیت (Qubit) می‌گویند، قادرهستند تا در آن ‌واحد چند مقدارمختلف داشته باشند.
• یک ذره کوانتومی را بدون اینکه تغییر کند و مختل شود نمی‌توانیم مشاهده و اندازه‌گیری کنیم.
• چیزی به‌نام کپی کردن کامل ذرات در فیزیک کوانتوم وجود ندارد.

تمامی این علت‌ها باعث می‌شود تا اندازه‌گیری حالت یک کیوبیت بدون مختل کردن آن امکان‌پذیر نباشد. استفاده از فوتون‌ها برای رمزنگاری تقریباً تمامی خواسته‌هایمان را برآورده می‌کند. اول اینکه رفتار فوتون‌ها به‌طور کامل برایمان مشخص است، ثانیاً فوتون‌ها می‌توانند اطلاعات را از طریق کابل‌های فیبر‌نوری انتقال دهند. یکی از روش‌هایی که اخیراً برای رمزنگاری کوانتومی مطرح شده است، روش توزیع کلید کوانتومی یا Quantum Key Distribution (QKD) است که در واقع تکنیکی برای تبادل کلید به‌صورت ایمن است. در ادامه به بررسی این روش می‌پردازیم.

رمزنگاری کوانتومی چگونه کار می‌کند؟

یکی از مدل‌های معروفی که به توضیح روش رمزنگاری می‌پردازد، روش تبادل پیام بین Alice و Bob به‌طور ایمن است که توسط فردی به نام Eve استراق سمع می‌شود. ابتدا Alice یک پیامی را با فرستادن کلید به Bob شروع می‌کند. این کلید یک جریانی از فوتون‌ها است که در یک‌جهت پیموده می‌شوند. هر فوتون نماینده یک بیت از داده است که می‌تواند مقدار 0 یا 1 داشته باشد. البته فوتون‌ها در مسیر انتقال خطی، دریک حالت بخصوصی نوسان می‌کنند بنابراین، قبل از اینکه Alice به‌عنوان فرستنده و شروع‌کننده پیام، پیامی را بفرستد، فوتون‌ها ازیک قطبش دهنده یا پولارایزر (Polarizer) عبور می‌کنند. پولارایزر در واقع یک فیلتر‌ی است که مشخص می‌کند چه فوتون‌هایی با توجه‌ به نوع نوسانشان می‌توانند از آن عبور کنند و این اجازه را می‌دهد تا مابقی فوتون‌ها با تغییر حالت نوسانشان از آن عبور کنند. حالت‌های قطبیده شده می‌توان به‌صورت عمودی (Vertical) به‌صورت 1 بیت، افقی (Horizontal) به‌صورت 0 بیت، در حالت 45 درجه راست به‌صورت 1 بیت و یا 45 درجه چپ یا 0 بیت باشند. انتقال از هر 2 قطبش، یکی از آنها را دارد، یا 0 و یا 1.

اکنون این فوتون‌ها از کابل فیبر‌نوری که از پولارایزر رد شده است به سمت گیرنده یعنی Bob حرکت می‌کنند. این فرایند در نهایت از یک جداکننده پرتو یا Beam Splitter استفاده می‌کند تا بتوان به‌وسیله آن، قطبیت هر فوتون را فهمید. اکنون وقتی کلید به‌صورت فوتون دریافت شد، Bob نمی‌داند که قطبیت یا پولاریزیشن صحیح فوتون‌ها (چیزی که مدنظر Alice بوده است) چیست، بنابراین یک پولاریزیشن به‌صورت تصادفی انتخاب می‌شود؛ سپس Alice انتخاب Bob در پولاریزیشن فوتون‌ها را مقایسه می‌کند و به Bob می‌گوید که از چه پولاریزیشنی برای هر فوتون استفاده کرده‌ است. در نهایت Bob بررسی می‌کند ببیند که کدام پولاریزیشن را صحیح انتخاب کرده است و بعد از آن فوتون‌هایی که اشتباه انتخاب شده بودند همگی دور ریخته می‌شوند و توالی باقی‌مانده به‌عنوان کلید در نظر گرفته‌ می‌شود.

حال فرض کنید Eve می‌خواهد استراق سمع کند. Eve مشابه با Bob و با ابزارهای یکسان می‌تواند به کانال گوش دهد. اما Bob توانایی مکاتبه با Alice از طریق تصدیق‌ کردن پولاریزیشن هر فوتونی دریافتی را دارد که این قضیه یک مزیت محسوب می‌شود. در نهایت Eve کلید اشتباهی را تولید می‌کند؛ همچنین Alice و Bob می‌توانند تشخیص دهند که Eve در حال استراق سمع کانال آنها است؛ چراکه با مشاهده جریان فوتون‌ها، در آنها تغییر ایجاد می‌شود و نتیجه نهایی آن چیزی که Alice و Bob انتظارشان را داشتند متفاوت خواهد بود.

رمزنگاری کوانتومی و نمونه‌های آنها

رمزنگاری کوانتومی، کاربران را قادر می‌سازد تا با امنیت بیشتری نسبت به رمزنگاری سنتی تعامل داشته باشند. بعد ازاینکه تبادل کلید بین طرفین ارتباط برقرارشد، احتمال بسیار کمی وجود دارد تا افراد مخرب بتوانند داده‌ها را بدون داشتن کلید رمزگشایی کنند. اگر کلیدی که در حال ساخته‌شدن است مشاهده شود، در نتیجه نهایی تغییر ایجاد می‌کند که طرفین ارتباط قادر هستند تا این تفاوت را تشخیص دهند. این روش رمزنگاری تقریباً در مراحل اولیه به سر می‌برد؛ اما تاکنون پیاده‌سازی‌های موفقی از آن صورت‌گرفته است:

• دانشگاه کمبریج (Cambridge) و مؤسسه توشیبا (Toshiba) یک سیستم QKD با نرخ بیت بالا را به‌وسیله پروتکل BB84 تولید کرده‌اند.
• شبکه کوانتومی آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARP) که از سال 2002 تا سال 2007 توسط یک شبکه 10 نودی QKD فعال بود، توسط دانشگاه بوستون (Boston)، هاروارد (Harvard) و کمپانی IBM ایجاد شده است.
• اولین شبکه کوانتومی درآمریکا که از هزارکیلومتر کابل فیبر‌نوری ساخته شده‌است، توسط Quantum Xchange ایجاد شده است.
• کمپانی‌های تجاری مانند ID Quantique، Toshiba، Quintessence Labs و MagiQ نیز سیستم‌های QKD خودشان را توسعه داده‌اند.

علاوه بر QKD، پروتکل‌های دیگری نیز وجود دارد که برای رمزنگاری کوانتومی مورداستفاده قرار می‌گیرند مانند:

• پرتاب سکه کوانتومی (Quantum Coin Flipping)
• رمزنگاری کوانتومی بر پایه موقعیت (Position-Based)
• رمزنگاری کوانتومی مستقل از دستگاه (Device-Independent)

مزایای رمزنگاری کوانتومی

از مهم‌ترین مزایای رمزنگاری کوانتومی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فراهم کردن امکان ارتباط ایمن: در رمزنگاری کوانتومی به‌جای استفاده ازعددهایی بزرگ که سخت کرک می‌شوند، از قوانین فیزیک استفاده می‌شود که بسیار ایمن‌تر و البته پیچیده‌تر است.
• شناسایی افراد خرابکاری که قصد استراق سمع دارند: اگر شخص ثالثی قصد خواندن داده‌های رمزنگاری شده را داشته باشد، حالت‌های کوانتومی کیوبیت‌ها تغییرمی‌کنند و نتایج خروجی جریان ارتباط را تغییر می‌دهند. با این کار افراد حاضر در ارتباط به‌راحتی می‌توانند این اشخاص ثالث را شناسایی کنند.
• متدهای گوناگونی برای امنیت وجود دارد: تعداد پروتکل‌های گوناگونی برای رمزنگاری کوانتومی وجود دارد، همچنین این متدها می‌توانند با رمزنگاری کلاسیک ادغام شوند تا امنیت را بیشتر کنند.

محدودیت های رمزنگاری کوانتومی

با وجود تمامی مزیت‌هایی که رمزنگاری کوانتومی دارد، اما یک‌سری محدودیت‌هایی پیش روی این تکنیک وجود دارد:

• تغییر قطبیت و نرخ خطای بالا: ممکن است فوتون‌ها در حین انتقال، تغییر پولاریزیشن دهند که این امر سبب افزایش نرخ خطا می‌شود.
• محدوده ی انتقال: بیشترین محدوده انتقالی که در رمزنگاری کوانتومی تاکنون ایجاد شده است، بین 400 تا 500 کیلومتر بوده؛ البته به‌غیراز شرکت سوئیسی Terra Quantum که توانسته این محدوده را تا 40 هزار کیلومتر ارتقا دهد.
• هزینه بالا: رمزنگاری کوانتومی به زیرساخت خاص‌ خود نیاز دارد؛ مانند کابل فیبر‌نوری و تکرارکننده که باعث افزایش هزینه می‌شود.
• تعداد مقصدها: امکان اینکه یک کلید از طریق یک کانال ارتباطی به دو یا چند مقصد برسد وجود ندارد.

تفاوت بین رمزنگاری کوانتومی و رمزنگاری سنتی

در رمزنگاری کلاسیک از عملیات ریاضی برای رمزنگاری کردن داده‌ها استفاده می‌شود. در این حالت تنها فردی که به کلیدهای صحیح دسترسی دارد قادر به گشایش آن رمز می‌باشد. دو نوع رمزنگاری متداول برای این کار وجود دارد، کلید متقارن (Symmetric) که در آن از یک کلید برای رمزگذاری و رمزگشایی استفاده می‌شود و کلید نامتقارن (Asymmetric) که در آن از دو کلید متفاوت به نام‌های کلید عمومی (Public Key) برای رمزگذاری و کلید خصوصی (Private key) برای رمزگشایی استفاده می‌شود. امنیت رمزنگاری سنتی بر پایه زمان طولانی تجزیه اعدادی است که بر اساس آن کلیدها ایجاد شده‌اند.

مقایسه رمزنگاری کلاسیک و رمزنگاری کوانتومی

رمزنگاری کلاسیک از منطق اعداد به‌عنوان منطق رمزنگاری استفاده می‌کند. بیت‌ها را به‌عنوان سیگنال‌ها در کانال ارتباطی ارسال می‌کند. به‌طور معمول بحث محدوده ارتباطی در آن مطرح نیست. رمزنگاری در آن بر پایه محاسبات ریاضیاتی است. رمزنگاری کوانتومی بر پایه تئوری کوانتوم است. داده‌ها از طریق فوتون‌ها جابه‌جا می‌شوند. به‌طور معمول بحث محدوده ارتباطی در آن مطرح است. رمزنگاری بر پایه خاصیت‌های فیزیک کوانتوم انجام می‌شود. برخلاف رمزنگاری سنتی که از قوانین ریاضی استفاده می‌کند، رمزنگاری کوانتومی بر پایه فیزیک کوانتوم است که رمزگشایی‌کردن داده‌های رمزشده آن بسیار سخت‌تر است. تغییر در حالت کیوبیت به‌محض مشاهده و اندازه‌گیری آن از خاصیت‌های ذرات کوانتومی است. جالب است بدانید این موضوع در پردازش کوانتومی درواقع به‌عنوان مشکلات کامپیوترهای کوانتومی مطرح می‌شود؛ اما در رمزنگاری از این خاصیت برای امنیت استفاده می‌کنند.

جمع‌بندی

کامپیوترهای کوانتومی در مراحل اولیه خود به سر می‌برند و نیاز به توسعه‌های بیشتری دارند قبل از اینکه به‌صورت متداول مورداستفاده قرار گیرند. از مهم‌ترین نگرانی‌هایی که در مورد کامپیوتر‌های کوانتومی وجود دارد این است که در صورت موفق شدن به تجزیه اعداد رمزنگاری، تقریباً تمامی امنیت جهان به خطر می‌افتد؛ بنابراین خیلی مهم است که قبل از بهره‌وری از کامپیوترهای کوانتومی، موفق به ایجاد یک سیستم رمزنگاری کوانتومی کامل و کارا شویم. در این مقاله به طورجامع به رمزنگاری کوانتومی، مزایا و معایب‌ آن، نحوه کارکرد آن و در نهایت مقایسه آن با رمزنگاری سنتی پرداختیم.

مطالب مرتبط

همه مقالات

فیلم‌های آموزشی دروس کنکور ارشد کامپیوتر وآی تی

معرفی گرایش علوم و فناوری شبکه در مقطع ارشد کامپیوتر

وظایف مدیر شبکه چیست؟ – مهارت های مورد نیاز ادمین شبکه

معرفی گرایش شبکه های کامپیوتر دانشگاه علم و صنعت