به صفحه وب ما که به ارتباطات کوانتومی و شبکه های کوانتومی اختصاص یافته است خوش آمدید. در حالی که سیستمهای ارتباطی کلاسیک در دهههای گذشته به خوبی به ما خدمت کردهاند، ارتباطات کوانتومی با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، قابلیتهای جدیدی را معرفی میکند. با ظهور و پیشرفت پیاده سازی کامپیوتر های کوانتومی، بسیاری از زیرساخت های ارتباطی در معرض ریسک خواهند بود، چراکه کامپیوتر های کوانتومی توانایی شکستن کدهای RSA و امنیت کنونی را باخود به همراه می آورند. لذا لازم است زیرساخت های ارتباطی نیز نسبت به این تهدید ها مقاوم شوند. در این صفحه، به اصول ارتباطات کوانتومی، مفهوم شبکه های کوانتومی و کاربردهای بالقوه آنها در انتقال اطلاعات ایمن و کارآمد خواهیم پرداخت.
-ارتباطات کوانتومی چیست؟
-تولید اعداد تصادفی کوانتومی (QRNG)
-توزیع کلید کوانتومی (QKD)
-رمزنگاری پسا-کوانتوم (Post Quantum Cryptopgraphy)
-شبکه های کوانتومی
-کاربردهای ارتباطات کوانتومی
-پروتکل های رمزنگاری پیشرفته
-چشم انداز ارتباطات کوانتومی
-اکوسیستم ارتباطات کوانتومی
-نتیجهگیری
ارتباطات کوانتومی شامل انتقال اطلاعات با استفاده از ویژگی های کوانتومی، مانند برهم نهی و درهم تنیدگی، برای اطمینان از انتقال امن و قابل اعتماد داده است. برخلاف سیستم های ارتباطی کلاسیک، ارتباطات کوانتومی سطوح بی نظیری از امنیت را از طریق استفاده از توزیع کلید کوانتومی (QKD) و تولید اعداد کوانتومی تصادفی (QRNG) ارائه می دهد. QKD به دو طرف اجازه می دهد تا یک کلید رمزگذاری مخفی را به اشتراک بگذارند که به دلیل اصول مکانیک کوانتومی نمی توان آن را بدون شناسایی، رهگیری یا تکرار کرد. ارتباطات کوانتومی نوید انقلابی در ارتباطات ایمن، حفاظت از داده های حساس و افزایش حریم خصوصی در عصر دیجیتال را می دهد. مولد اعداد کوانتومی تصادفی (QRNG) نیز افزاره ای است که با استفاده از احتمالاتی بودن داده های کوانتومی، داده هایی را برای کلید های امن و پروتکل های رمزنگاری تولید میکند که ذاتا تصادفی هستند و امکان یافتن الگوی آنها ممکن نیست. ارتباطات کوانتومی در ابتدا از دو انگیزه کلیدی توسعه یافت: افزایش تراکم اطلاعات و افزایش امنیت اطلاعات. اختراع تکنیکهای عملی برای انتقال اطلاعات کوانتومی در سراسر جهان منجر به پیاده سازی فناوری توسط کشورهای مختلف از شبکههای ارتباطی کوانتومی QKD در مقیاس شهری، شبکههای بین شهری و حتی ارتباطات در مقیاس جهانی که توسط ماهواره مجهز به تجهیزات ارتباطات کوانتومی فعال میشوند.
تولید اعداد تصادفی کوانتومی (QRNG) روشی برای تولید اعداد تصادفی با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی است. برخلاف مولدهای اعداد شبه تصادفی (PRNG)، که بر الگوریتمهای قطعی متکی هستند، QRNG برای تولید اعداد تصادفی غیرقابل پیشبینی و آماری به تصادفی ذاتی فرآیندهای کوانتومی متکی است. تصادفی بودن در QRNG بر اساس پدیدههای کوانتومی است، مانند اندازهگیری حالات کوانتومی یا نتایج غیرقابل پیشبینی رویدادهای کوانتومی. به عنوان مثال، مولدهای اعداد تصادفی کوانتومی می توانند از تصادفی بودن قطبش فوتون، تونل زنی کوانتومی، یا نوسانات کوانتومی حالات خلاء برای تولید اعداد تصادفی استفاده کنند. غیرقابل پیش بینی بودن اعداد تصادفی کوانتومی برای کاربردهای مختلفی که امنیت و انصاف در اولویت هستند ضروری است. اینها شامل تولید کلید رمزنگاری، پروتکل های ارتباطی ایمن، شبیه سازی، قمار، قرعه کشی و آزمایش های علمی است که به داده های بی طرفانه و غیرقابل پیش بینی نیاز دارند.
تولید اعداد تصادفی کوانتومی (QRNG) دارای طیف وسیعی از کاربردها در زمینه های مختلف است که در آن اعداد واقعا تصادفی هستند. در اینجا برخی از کاربردهای کلیدی تولید اعداد تصادفی کوانتومی ذکر شده است:
توزیع کلید کوانتومی (QKD) یک روش امن برای تبادل کلیدهای رمزنگاری بین دو طرف بر اساس اصول مکانیک کوانتومی است. برخلاف روشهای سنتی تبادل کلید، QKD با استفاده از ویژگیهای فیزیک کوانتومی برای ایجاد کلیدهای رمزگذاری نشکن، رویکردی اساساً ایمن را ارائه میکند. QKD از پدیده درهم تنیدگی کوانتومی و اصول اندازه گیری کوانتومی برای اطمینان از توزیع امن کلیدها استفاده می کند. فرآیند تبادل کلید شامل رمزگذاری کلید به عنوان بیت کوانتومی (کیوبیت) و انتقال آنها بین فرستنده و گیرنده از طریق یک کانال کوانتومی است. هرگونه تلاش برای استراق سمع از کانال کوانتومی و رهگیری کیوبیت ها به ناچار حالت های کوانتومی را مختل می کند و خطاهای قابل تشخیص را ایجاد می کند. این به عنوان «قضیه No-Cloning» شناخته میشود، که تضمین میکند که هرگونه تلاش برای دسترسی غیرمجاز قابل تشخیص است و سطح بالایی از امنیت را فراهم میکند.
امنیت QKD بر قوانین اساسی فیزیک متکی است و آن را در برابر حملات حتی قوی ترین رایانه های کلاسیک یا رایانه های کوانتومی آینده مصون می سازد. این امر QKD را به یک راه حل جذاب برای ارتباطات ایمن تبدیل می کند، به ویژه در زمینه هایی که محرمانه بودن را طلب می کنند، مانند ارتباطات دولتی، تراکنش های مالی و انتقال داده های حساس. در حالی که QKD توزیع کلید ایمن را تضمین می کند، مستقیماً داده های ارسال شده را رمزگذاری نمی کند. در عوض، کلیدهای رد و بدل شده را می توان با الگوریتم های رمزنگاری سنتی برای رمزگذاری و رمزگشایی پیام واقعی استفاده کرد و یک کانال ارتباطی ایمن و تأیید شده را فراهم کرد.
رمزنگاری پسا-کوانتومی یا PQC از پروتکل های رمزنگاری تشکیل شده است که در برابر کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک ایمن هستند. PQC که در حال حاضر توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) و همچنین آژانس هایی در چین توسعه یافته است، از مسائل ریاضی جدیدی استفاده می کند که در برابر حملات کوانتومی مقاوم هستند. این پروتکل ها بر روی رایانه های کلاسیک و شبکه های موجود طراحی شده اند و می توانند به عنوان یک به روز رسانی نرم افزار به سادگی اعمال شوند. (البته در برخی موارد، پهنای باند یا توان پردازش مرکزی ممکن است ناکافی باشد و نیاز به ارتقاء سخت افزاری نیز داشته باشد.)
زیرساخت های که در معرض خطر هستند در تصویر زیر آورده شده اند.
شبکه های کوانتومی با اتصال چندین دستگاه کوانتومی و امکان تبادل اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی، ارتباطات کوانتومی را به سطح بالاتری می برند. این شبکه ها از گره های به هم پیوسته تشکیل شده اند که می توانند شامل کامپیوترهای کوانتومی، حسگرهای کوانتومی یا وسایل ارتباطی کوانتومی تخصصی باشند. شبکههای کوانتومی از قدرت درهمتنیدگی و مبادله درهمتنیدگی (Entanglement Swapping) کوانتومی استفاده میکنند و توزیع کیوبیتهای درهمتنیده را در چندین گره امکانپذیر میسازند. این درهم تنیدگی توزیع شده را می توان برای ارتباطات ایمن، تله پورت کوانتومی، محاسبات کوانتومی توزیع شده، و حتی سنجش و اندازه گیری کوانتومی تقویت شده استفاده کرد.
بطور کلی از دو بستر انتقال داده می توان استفاده کرد:
• مبتنی بر فیبر: امروزه با فاصله های کوتاه محدود شده است، اما قابل اعتمادتر است. اولین آزمایشات تجاری توسط SK Telecom و ID Quantique در سئول و BT و Toshiba در لندن انجام شده است.
• انتقال فضای آزاد (ماهواره ها): می تواند برای انتقال از راه دور استفاده شود. با این حال، این مدل هزینههای سرمایهای بالایی دارد، پنجرههای کوتاهی برای انتقال دادهها ارائه میدهد و در طول شب در آسمان صاف بهترین عملکرد را دارد. شرکت هایی مانند یوتلست کوانتوم و SpeQtral قصد دارند خدمات تجاری را در آینده نزدیک ارائه دهند.
شبکههای کلاسیک اغلب به پروتکلهای دست دادن (Handshaking) متکی هستند تا اطمینان حاصل کنند که دو طرف میتوانند تأیید کنند که با افراد مناسب صحبت میکنند. مانند کدهای احراز هویت دو مرحلهای که هر بار که سعی میکنید وارد سیستم شوید به تلفن شما ارسال میشود. سیستم امن این توکن ها در برابر هک، رهگیری یا به خطر انداختن مسائل ریاضی که برای ساخت آنها استفاده می شود آسیب پذیر هستند. جایگزینی این پروتکلها با درهمتنیدگی توزیعشده میتواند به توکنهای احراز هویت کوانتومی بسیار امنتر منجر شود.
ارتباطات کوانتومی، با بهره گیری از اصول مکانیک کوانتومی، طیف وسیعی از کاربردها را ارائه می دهد که پتانسیل ایجاد انقلابی در ارتباطات امن و پردازش اطلاعات را دارند. در ادامه چند کاربرد کلیدی ارتباط کوانتومی آورده شده است.
سیستمهای QKD اجازه میدهند که از توزیع کلیدها به عنوان اساس پروتکلهای کلید متقارن امنتر استفاده شود. چنین پروتکلهای رمزگذاری هنوز میتوانند در برابر حملات رمزنگاری کلاسیک یا کوانتومی آسیبپذیر باشند. اگر مقدار زیادی از درهم تنیدگی کوانتومی در دسترس باشد، میتوان از معادل کوانتومی رمزگذاری پد یکبار مصرف (One Time Pad) استفاده کرد. این نوع رمزگذاری دادههای مخفی را با استفاده از درهم تنیدگی تولید میکند که از نظر اندازه با پیام ارسال شده برابر است. این نوع رمزگذاری به پیچیدگی ریاضی فرضی برای تضمین امنیت متکی نیست و میتواند برای تأمین امنیت تئوری اطلاعات تضمین شده استفاده شود.
قدرت یک سیستم محاسبات کوانتومی شبکه ای بسیار متفاوت از محاسبات کلاسیک توزیع شده است. اتصال کامپیوترهای کلاسیک قدرت محاسباتی سیستم را افزایش میدهد، در حالی که اتصال کامپیوترهای کوانتومی قدرت را به صورت ضربی افزایش میدهد: دو کامپیوتر کوانتومی یکسان، وقتی متصل میشوند، توان ترکیبی برابر با مجذور توان فردی خود را فراهم میکنند. این یک انگیزه بزرگ برای توسعه زیرساختهای ارتباطی ایجاد میکند که میتواند درهم تنیدگی کوانتومی توزیعشده مورد نیاز برای اتصال کامپیوتر های متحمل خطا و تصحیح خطا را فراهم کند و پتانسیل عظیم چنین شبکه محاسباتی کوانتومی کاملاً متصل را برجسته میکند.
با ترکیب مفاهیم محاسبات کوانتومی توزیع شده با مفاهیم رمزنگاری کوانتومی، محققان در اواخر دهه 2000 ایده محاسبات کوانتومی کورکورانه را توسعه دادند. این روش در آن زمان، منحصر به فرد فناوری کوانتومی بود اما در سالهای اخیر، رمزگذاری همومورفیک این امکان را در دنیای کلاسیک فراهم کرده است. محاسبات کوانتومی کورکورانه بدین صورت است که کاربر میخواهد از قدرت محاسبات کوانتومی یک سیستم خارجی استفاده کند، اما میخواهد نه تنها خروجی برنامه کوانتومی خود، بلکه حتی جزئیات مربوط به نوع الگوریتمی را که اجرا میکند مخفی نگه دارد. محاسبات کوانتومی کورکورانه به کاربر نیاز دارد که اطلاعات کوانتومی را آماده و به یک سرور کوانتومی منتقل کند، که سپس میتواند الگوریتم را بدون یادگیری چیزی در مورد محاسباتی که کاربر میخواهد انجام دهد، اجرا کند.
حسگری کوانتومی اغلب به عنوان یکی از اولین رویکردهای موفقیتآمیز کاربردهای فناوری کوانتومی نسل دوم شناخته میشود. در حال حاضر، محققان و شرکتهای خصوصی در حال ساخت سیستمهای کوانتومی در مقیاس کوچک هستند که میتوانند به عنوان مغناطیسسنج حساس یا حسگر گرانشی عمل کنند. در حالی که این سیستمها ممکن است مقداری ارزش اولیه نسبت به راهحلهای حسگر فعلی داشته باشند، سود اصلی از سنجش کوانتومی زمانی حاصل میشود که مجموعهای از حسگرهای منفرد را بتوان با استفاده از درهم تنیدگی مشترک با یکدیگر شبکه کرد. حسگرهای کوانتومی تقویتشده با درهم تنیدگی، افزایش قابل توجهی در حساسیت را ممکن میسازند. شبکه های توزیع شده حسگرها، با واسطه یک شبکه ارتباطی کوانتومی، برای تحقق وعده نهایی سنجش فعال کوانتومی مورد نیاز خواهند بود. حتی ممکن است انواع جدیدی از سنجش را از جابجایی حسگرهای منفرد، مانند آرایههای تلسکوپ ستارهای عظیم که دسترسی به رژیمهای تشخیص کاملاً متفاوت را فراهم میکنند، فعال کند.
برای ارتباطات با امنیت بالا، شبکه ها اغلب از نظر فیزیکی از شبکه ارتباطات جهانی جدا می شوند. مفهوم شبکه «شکاف هوا (Air-Gapped)» شبکهای است که در آن هیچ مکانیزم فیزیکی برای خروج دادهها از شبکه امن و انتقال دادهها بر روی هر بخش از زیرساخت فیزیکی که بخشی از اینترنت عمومی در نظر گرفته میشود، وجود ندارد. این یک رویکرد پرهزینه است، زیرا شبکه های جدا شده اساساً اینترنت کوچکی هستند که باید ساخته و نگهداری شوند. یک اینترنت کوانتومی این چالش را با فعال کردن ارتباطات بسیار ایمن و اطلاعات عمومی در یک زیرساخت فیزیکی یکسان دور میزند.
حوزه ارتباطات کوانتومی همچنین مجموعهای از پروتکلهای رمزنگاری پیشرفته را ارائه میکند که نوید گسترش آنچه را که با تکنیکهای مبتنی بر ریاضیات مرسوم ممکن است، میدهد. در سالهای اخیر شاهد یک پیشرفت مداوم هم در پروتکلهای کاربردیتر و هم در پیاده سازی های تجربی بوده ایم.
همانند محاسبات کوانتومی، پیش بینی مسیر آینده نزدیک و میان مدت ارتباطات کوانتومی دشوار است. روایت های گسترده پیرامون چشمانداز ارتباطات کوانتومی همچنان به یک اینترنت کوانتومی کاملاً کاربردی ، جهانی و کاملاً کاربردی توجه دارد، حتی در حالی که بسیاری از پیشرفتهترین پیشرفت های فناوری هنوز منحصراً بر اجرای محدود QKD متمرکز هستند. می توان به طور قانع کننده ای استدلال کرد که دستیابی به هدف اینترنت کوانتومی از نظر تکنولوژیکی بسیار دشوارتر از یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ و مقاوم به خطا است. با این حال، شبکه های ارتباطی کوانتومی، مانند معادل های کلاسیک خود، تاریخچه پیچیده ای دارند و با همتایان محاسباتی خود تعامل دارند.
ارزش اصلی رمزنگاری پسا کوانتومی این است که امروزه قابل استفاده است. علاوه بر این، با زیرساختهای ارتباطی کلاسیک فیزیکی که در حال حاضر داریم، سازگار است، اگرچه باید توجه داشت که پذیرش گسترده رمزنگاری پسا کوانتومی به تغییرات بسیار مهم (و بسیار گرانقیمت) در زیرساخت نرمافزار کلاسیک مورد استفاده برای رابط میانی تبادل کلید فیزیکی نیاز دارد. طرحهای PQC که بهعنوان یک محافظ احتمالی در برابر تهدید رایانههای کوانتومی طراحی شدهاند، ممکن است راهحلی قابل اعتماد برای آسیبپذیریهایی باشد که طرحهای رمزنگاری کلید عمومی سنتی در برابر محاسبات کوانتومی نشان میدهند. اتکا به این روش ها به پیچیدگی فرضی برخی مسائل ریاضی است که زیربنای پروتکلهای مبادله کلید جدید است، و این احتمال وجود دارد که این شکاف هرگز بسته نشود. با وجود این، پروتکل های رمزنگاری پسا کوانتومی ممکن است هنوز یک راه حل «به اندازه کافی خوب» یا حتی «بهترین راه حل موجود» برای تهدید محاسبات کوانتومی باشند، به ویژه هنگامی که هزینه های تحقیق و توسعه، سرمایه و استقرار شبکه های QKD اختصاصی را در نظر می گیریم. تا زمانی که شبکههای QKD نتوانند مشکل ارائه کلیدهای اختصاصی با پهنای باند نسبتاً بالا را به روش درخواستی برای هزاران یا میلیونها کاربر در سراسر جهان حل کنند، PQC ممکن است تنها تکنیک مقیاسپذیر برای محافظت از دادههای کلاسیک در برابر تهدید ناشی از کوانتوم باشد. دراین صورت، استقرار و استفاده از شبکههای QKD ممکن است در بین عموم مردم مفید نباشد.
این سناریو حالتی را در نظر میگیرد که در آن QKD میتواند مزایایی را نسبت به رمزنگاری پسا کوانتومی فراهم کند، اما محدودیتهای تکنولوژیکی همچنان کاربرد شبکههای ارتباطی کوانتومی را به پهنای باند، فیدلیتی و برد کم محدود میکند. یعنی شبکه های نقطه به نقطه QKD یا سیستم هایی که بر گره های به اصطلاح قابل اعتماد متکی هستند محدود شده اند. سناریوهای گره قابل اعتماد (Trusted Nodes) شامل پیوندهای QKD هستند که بین ایستگاه های تکرار کننده (Repeater) استفاده می شوند، که قبل از ایجاد یک اتصال کوانتومی جدید به تکرار کننده بعدی، اطلاعات کوانتومی را به اطلاعات کلاسیک تبدیل می کند. این طرحها اطلاعات را در حین انتقال لینک به طور موثر ایمن میکنند، اما گره مورد اعتماد در صورتی که کسی به گره دسترسی پیدا کند، آسیبپذیری امنیتی دارد، زیرا آنها فقط میتوانند اطلاعات را پس از تبدیل به کلاسیک کپی کنند. گره مورد اعتماد در واقع امنیت را از منظر رمزنگاری در شرایطی که کاربران کنترل کل شبکه را در دست دارند، فراهم نمیکند. یعنی این سناریو به زیر مجموعه بسیار کوچکی شبکهها به صورت داخلی توسط دولت ها، سازمان های یا شرکت های بزرگ محدود می شود.
در این سناریو، سیستمهای ارتباطی کوانتومی به اندازهای پیشرفته میشوند که میتوانند با کیفیت بالا و پهنای باند درهم تنیده شوند، اما زیرساخت مرتبط به قدری پرهزینه و پیچیده است که لینکهای ارتباطی کوانتومی رزرو شده یا فقط برای خط اصلی اختصاصی مقرون به صرفه هستند. ارتباطات بین مراکز داده محاسبات کوانتومی آینده این امر به محاسبات کوانتومی توزیع شده محدود اجازه می دهد که فقط برای دولت ها یا شرکت هایی که منابع و انگیزه های لازم برای ایجاد زیرساخت را دارند امکان پذیر است.
در این سناریو، سیستم های ارتباطی کوانتومی هنوز سیستم های پیچیده و گران قیمتی هستند. اما میتوانند شبکه های متوسط را تحقق بخشند. مشابه اولین پیاده سازی اینترنت کلاسیک، معروف به ARPANET، پیوندهای کوانتومی با استفاده از روشهای مختلف مانند ماهواره، فیبر، میتوانند رایانههای کوانتومی را که توسط دولتها، شرکتها و دانشگاهها اداره میشوند، به یکدیگر متصل کنند تا قدرت محاسباتی را در مناطق جغرافیایی متوسطی مانند شهر ها و کشور ها افزایش دهند. این سناریو مستلزم آن است که رایانههای کوانتومی به مقیاسی مشابه رایانههای کلاسیک در دهههای 1960 و اوایل دهه 1970 برسند، یعنی زمانی که گران بودند و فقط از طریق سرویس ابری در دسترس قرار داشتند. توزیع درهمتنیدگی در شبکه را می توان توسط قابلیتهای منحصر به فرد مسیریابی شبکههای کوانتومی، که توسط تلهپورتیشن، تعویض درهمتنیدگی و خالصسازی درهمتنیدگی ممکن میشود، ایجاد کرد.
برای این سناریو، سخت افزار محاسباتی کوانتومی باید در مقیاس بسیار کوچک ساخته شود و کیوبیت ها باید به اندازه ترانزیستورها در همه جا یافت شوند. در این شرایط فناوری کوانتومی در انواع مختلف فناوری تعبیه خواهد شد و توزیع درهم تنیدگی با سرعتهای خارقالعادهای رخ خواهد داد. بر اساس مدلهای نظری فعلی برای سیستمهایی مانند فیبر و سیستمهای ارتباطی کوانتومی مبتنی بر ماهواره، بسیار بعید است که این روشها به تنهایی بتوانند یک اینترنت مبتنی بر درهم تنیدگی را در این مقیاس ارائه دهند. ایدهها و تکنیکهای توزیع جدید، پارادایم های نو، که به طور بالقوه باعث گسست کامل از رویکردهای الهامگرفته شده از کلاسیک میشوند، باید با تکامل سیستمهای کیوبیت توسعه داده شوند تا به سناریو برسیم. این سناریویی است که به بهترین شکل میتوان آن را اینترنت کوانتومی واقعی نامید.
اکوسیستم ارتباطات کوانتومی طیف وسیعی از اجزا و ذینفعان درگیر در توسعه، استقرار و استفاده از فناوریهای ارتباطی کوانتومی را در بر میگیرد که شامل تعامل بین عناصر مختلف است که در مجموع امکان انتقال و پردازش امن اطلاعات کوانتومی را فراهم می کند. در اینجا برخی از اجزای کلیدی در اکوسیستم ارتباط کوانتومی آورده شده است:
ارتباطات کوانتومی و شبکه های کوانتومی نشان دهنده جدیدترین لبه های تحقیق و توسعه پیشرفته فناوری هستند. این فناوریها با بهرهگیری از ویژگیهای منحصربهفرد مکانیک کوانتومی، سطوح بیسابقهای از امنیت، انتقال کارآمد دادهها و پتانسیل برای کاربردهای متحول کننده را ارائه میدهند. با ادامه پیشرفت این حوزه، ارتباطات کوانتومی و شبکه های کوانتومی نوید انقلابی در ارتباطات ایمن، امکان محاسبات کوانتومی توزیع شده و باز کردن مرزهای جدید در دنیای فناوری اطلاعات را دارند. با ما همراه باشید تا جدید ترین پیشرفت ها و فناوری های این حوزه را به شما معرفی کنیم.