کوانتوم علیه کوانتوم؛ دانشمندان برای اولینبار رمزنگاری واقعاً غیرقابل پیشبینی انجام دادند
امنیت، بخش جداییناپذیر جریان منظم اطلاعات در سراسر جهان است و یکی از پایههای اصلی این امنیت، مفهوم «تصادفی بودن» محسوب میشود.
در رمزنگاری مدرن، برای جلوگیری از شکسته شدن رمزها، به غیرقابلپیشبینی بودن تکیه میشود و قویترین شکل این غیرقابلپیشبینی بودن، همان تصادفی بودن واقعی است. اکنون دانشمندان در پژوهشی جدید، روشی تازه برای تقویت و تولید این تصادفی بودن معرفی کردهاند.
مولدهای اعداد تصادفی مدتهاست مورد استفاده قرار میگیرند، اما اغلب دارای نقصهای ظریفی هستند که باعث ایجاد الگوهای ناخواسته در خروجی میشود. حتی کامپیوترهای بسیار قدرتمند نیز از این مشکل مصون نیستند، زیرا آنها بر پایه ترانزیستورهای سنتی کار میکنند و دادهها را با استفاده از کد دودویی، شامل صفر و یک پردازش میکنند. همین ساختار باعث میشود تولید نتیجهی واقعاً تصادفی، برایشان دشوار باشد.
رناتو رِنِر، استاد فیزیک مؤسسه فدرال فناوری سوئیس در زوریخ و عضو تیم پژوهشی، توضیح میدهد: «هر دستگاه الکترونیکی متعارف مانند تلفن همراه یا کامپیوتر، یک سیستم قطعی محسوب میشود؛ بنابراین تولید مقدار واقعاً تصادفی برای آن بسیار دشوار است. این دستگاهها نمیتوانند واقعاً مانند انداختن سکه عمل کنند، زیرا تمام فرایندهای منطقی آنها اساساً قابل پیشبینی است.»
گرچه اعداد تولیدی توسط مولدهای امروزی در نگاه اول تصادفی بهنظر میرسند، کامپیوتر کوانتومی میتواند حتی الگوهای بسیار پنهان را شناسایی و از آنها برای شکستن رمز استفاده کند. رنر میگوید: «غیرقابل پیشبینی بودن بسیار مهم است، زیرا مهاجم دقیقاً از همین ویژگی استفاده میکند؛ یعنی تلاش میکند بخشی از رمز عبور یا حتی کل آن یا بخشهایی از کلید رمزنگاری را پیشبینی کند.»
گرچه اعداد تولیدی توسط مولدهای امروزی در نگاه اول تصادفی بهنظر میرسند، کامپیوتر کوانتومی میتواند حتی الگوهای بسیار پنهان را شناسایی کند
در این مرحله، سیستم جدید وارد عمل میشود. در رایانش کوانتومی، واحد پایه اطلاعات «کیوبیت» است. برخلاف بیتهای معمولی در رایانههای امروزی که فقط میتوانند یکی از دو حالت ۰ یا ۱ باشند، کیوبیتها میتوانند همزمان در چند حالت مختلف قرار بگیرند. به بیان سادهتر، آنها تا قبل از اندازهگیری، نوعی وضعیت ترکیبی از چند امکان را دارند. اما وقتی کیوبیت اندازهگیری میشود، این حالتهای متعدد از بین میروند و کیوبیت فقط در یکی از حالتهای مشخص (۰ یا ۱) ظاهر میشود.
به گزارش ساینتیفیک آمریکن، در آزمایش رنر و همکارانش برای درک این موضوع که چگونه سیستم دوکیوبیتی میتواند تصادفیبودن واقعی تولید کند، دو کیوبیت که در دماهایی نزدیک به صفر مطلق (حدود منفی ۲۷۳ درجه سانتیگراد) نگهداری میشدند، در دو سر لولهای ۳۰ متری قرار گرفتند و با یکدیگر درهمتنیده شدند. درهمتنیدگی کوانتومی حالتی است که در آن وضعیت دو ذره به هم وابسته میشود؛ بهطوریکه اندازهگیری یکی، وضعیت دیگری را نیز مشخص میکند. در این حالت، اگر هر دو کیوبیت اندازهگیری شوند، نتیجه یکسانی به دست میآید.
به گفته رنر، استفاده از لوله بلند برای ایجاد فاصله فیزیکی کافی ضروری بوده است تا هیچ عامل بیرونی نتواند نتایج را تحت تأثیر قرار دهد. او توضیح میدهد: «برای اینکه مطمئن باشم نتیجه واقعاً غیرقابل پیشبینی است، باید فرآیندی داشته باشم که مطمئن باشم با فیزیک کلاسیک قابل توصیف نیست.»
- رایانش کوانتومی به زبان ساده؛ معجزه کوانتوم در انجام محاسبات پیچیده01 شهریور 03مطالعه '24
- کامپیوتر کوانتومی برای اولین بار عدد کاملاً تصادفی تولید کرد22 فروردین 04مطالعه '3
- رایانش کوانتومی، حباب هوش مصنوعی را میترکاند؛ ادعای مدیرعامل سابق اینتل08 آذر 04مطالعه '2
- دنیای رمزآلود احتمالات؛ چرا «احتمال» احتمالاً وجود ندارد؟26 بهمن 03مطالعه '11
در یکی از آزمایشها، تصویری از یک گوسفند به سیستم وارد و پیکسلهای آن به خروجی کاملاً تصادفی تبدیل شد. نتیجه نهایی، مجموعهای درهمریخته از رنگها و لکهها بود که حتی با استفاده از کامپیوتر کوانتومی نیز قابل بازسازی نبود.
برای ارزیابی دقیقتر سیستم، دانشمندان آزمایشی به نام آزمون بل را اجرا کردند. این آزمون برای بررسی این موضوع طراحی شده است که آیا رفتار سامانه کوانتومی میتواند با قوانین فیزیک کلاسیک توضیح داده شود یا خیر.
آندریاس والراف، همکار رنر در مؤسسه فدرال فناوری سوئیس در زوریخ و از نویسندگان مطالعه، میگوید: «سامانه ما این امکان را فراهم میکند که تعداد زیادی آزمون بل را با کیفیت بالا و با سرعت زیاد اجرا کنید. در آزمایش ما حدود یک و نیم میلیارد آزمون بل انجام شد تا خروجیهایی کاملاً قابل تأیید از نظر تصادفی بودن تولید شود. سپس این نتایج در الگوریتمی که رناتو و تیمش ساخته بودند، برای ایجاد تصادفی بودن تأییدشده استفاده شد.»
درحالیکه پیشتر نیز آزمایشهایی برای تولید تصادفی بودن انجام شده بود، رنر تأکید میکند استفاده از کیوبیت دوم بهعنوان ابزار تأیید، نوآوری مهم این پژوهش است. این موضوع باعث افزایش اطمینان به نتایج میشود؛ اعتمادی که برای رمزنگاری امن کاملاً ضروری است.
گرچه کامپیوترهای کوانتومی تجاری هنوز فاصله زیادی تا استفاده عمومی دارند، پیامدهای این پژوهش همین حالا نیز اهمیت دارند. رنر اشاره میکند که در ویکیپدیا صفحهای وجود دارد که به هکهایی اختصاص یافته که تنها به دلیل ضعف در تصادفی بودن رمزنگاری امکانپذیر شدهاند.
رنر میگوید: «ما در حال حل مشکلی هستیم که همین حالا هم وجود دارد، نه فقط در آینده و با آمدن رمزنگاری کوانتومی، بلکه همین امروز هم با آن مواجهیم. به نظر من، رمزنگاری چه در برابر حملات کامپیوترهای معمولی و چه در برابر تهدیدهای آینده از سوی کامپیوترهای کوانتومی، همیشه به تصادفی بودن باکیفیت وابسته خواهد بود.»
پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.