التشفير الكمي: أبسط البروتوكولات وقليلًا من تحليل الشفرات

المقدمة

أشهر مشكلة تشفير هي إرسال الرسائل السرية. لهذه المهمة ، غالبًا ما يتم استخدام أنظمة التشفير ذات المفتاح الخاص: تقوم Alice (المرسل) بتشفير المعلومات باستخدام المفتاح ، ويقوم Bob (المتلقي) بفك تشفير الرسالة باستخدامه. لسوء الحظ ، تواجه أنظمة التشفير بالمفتاح الخاص صعوبات خطيرة في التنفيذ العملي. السؤال الرئيسي هو كيف يتم توزيع المفاتيح؟ من نواحٍ عديدة ، يكون توزيع المفاتيح مستهلكًا للوقت مثل المهمة الأساسية للاتصال الخاص. يمكن لطرف ثالث ضار أن يتنصت على المفتاح ويقرأ الرسالة بسهولة.

لتجنب هذا ، تم اختراع العديد من الطرق ، في هذه المقالة سننظر في الكم ، حيث يتم ضمان سرية المفتاح بواسطة قوانين ميكانيكا الكم. تم تطوير أول مخطط لتوزيع المفتاح الكمي BB84 (QKD) في عام 1984 من قبل الفيزيائيين تشارلز بينيت وجيل براسارد. تتمثل فكرتها الرئيسية في استخدام مبدأ ميكانيكا الكم (مبدأ عدم اليقين) ، والذي بموجبه تنتهك الملاحظة ككل النظام المرصود. وهكذا ، فإن المعترض الذي يتنصت على أليس وبوب "يفسد" الرسالة. ثم يمكن حسابها بسهولة والتخلص من البتات "السيئة" ، وإذا كان هناك الكثير منها - ابدأ من جديد.

أساسيات ميكانيكا الكم

لن ندخل في التفاصيل ، ولكن ببساطة نصوغ البيانات الرئيسية. لنبدأ بمبدأ عدم اليقين. تقول أن بعض الكميات الفيزيائية معًا لا يتم قياسها تمامًا. دعنا نستشهد كمثال على الزخم والإحداثيات الخاصة بالجسيم: إذا وضعت جسيمًا في جهاز يقيس بدقة الإحداثيات (على سبيل المثال ، أظهر ) ، ثم في جهاز يقيس الزخم بدقة ، فسيقوم الجهاز الثاني بإعطاء رقم عشوائي (فليكن رقمًا ، أي ). نقطة مهمة: قبل أن يكون جسيمًا له إحداثيات ، أصبح الآن جسيمًا ذا زخم . إذا أعدته إلى الجهاز الذي يقيس الإحداثيات ، فسيصدر رقمًا عشوائيًا.

الآن دعنا ننتقل إلى الاستقطاب (لا يهمنا أن نعرف ما هو عليه ، سنعتبره مجرد كمية فيزيائية تميز الجسيم). أحد الاستقطابين له اتجاهان متعامدان بشكل متبادل ، ومعرفة أي استقطاب ، يمكننا تحديد هذه الاتجاهات. لنفترض أن لدينا استقطابين و (تشير الرموز إلى اتجاه الاستقطاب) ، لكل منهما حالتان ، على التوالي. ينص مبدأ عدم اليقين على أنه لا يوجد جهاز يمكنه التمييز بين جميع الحالات الأربع. لا يوجد سوى جهازين منفصلين ، أحدهما يميز بين الحالات والآخر . يعتمد بروتوكول BB84 على هذه الحقيقة.

بروتوكول BB84

دعنا نكتب قاموسنا:

1) (يشير الرمز إلى أساس الحالة الكمية)

2)

3)

4)

أليس - تحويلات بوب - يقبل ؛ حواء - اعتراضات

1 .

. ( ). , , , . , "" ( ). - - . , . . BB84 11% [10], . .

. : . , , , (, , ). , , "" . : . (, , ). , , . , .

, :

1) , .

2) , .

BB84, , - -. . A B, C. : . A , B , C . , B , , . , A B. . ( ) .

, , 0 1.

. BB84 . BB84 , . , .

.

1

1)

2)

3) ,

, , .

1 . , . , , .

2 . . .

3 . - , . , . , , .

. , , , , . . a) (, , ); ) ; ) ) . "" , .

BB84 [7], . . [8]

H , QBER .

, . . , , . (, , ). , . PNS (photon number splitting)[2]. : , , . , , . , , [1].

2003 , BB84. , SARG04, BB84, . - -, [4]. , [4]. , , -. , . - . , PNS . Lo05[5]. - . ( - GLLP[3]) , . , ( .3).

SARG04[1]. : . ( !!!). , BB84, . , , :

.

( , ). , , ( ). . ( ) , ( ). ( 1/4), , ( , , ). PNS : , 1 2 , 3 . [1].

, . SARG04 LPA(large pulse attack). , ( ). . , [6].

, . , . . , id Quantique [9], .4

DA, , , . , . , , . ( ). : 1) ; 2) , ; 3) BS (, ); , , , , .

, , . . . . .

, ? : , , , . 1984 - , ? , , (RSA). , 1994 . , . , , .

:

1) A. Acin, N. Gisin, and V. Scarani, “Coherent-pulse implementations of quantum cryptography protocols resistant to photon-number-splitting attacks”

2) C. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail, and J. Smolin, “Experimental quantum cryptography”(1992)

3) D. Gottesman, H.-K. Lo, N. L ̈utkenhaus, and J. Preskill, Quant. Inf. Comp. 4, 325 (2004)

4) W.-Y. Hwang, “Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication”

5) Lo H., Ma X., Chen K. , “Decoy state quantum key distribution”, (2005)

6) Vadim Makarov, “Quantum cryptography and quantum cryptanalysis ”, (2006)

7) D. Mayers, “Quantum key distribution and string oblivious transfer in noisy channels” (1996); D. Mayers, “Unconditional security in quantum cryptography” (2001).

8) P. Shor و J. Preskill ، "دليل بسيط لأمن بروتوكول توزيع المفتاح الكمي BB84" (2000).

9) D. Stucki و N. Gisin و O. Guinnard و G. Ribordy و H. Zbinden ، "توزيع مفتاح الكم على مدى 67 كم مع نظام التوصيل والتشغيل"

10) شياو تشينغ تان ، "مقدمة في التشفير الكمي" ، (2013)