التشفير الكمي

ما هو التشفير الكمي؟

التشفير الكمي هو أسلوب تشفير يعتمد على الخصائص الطبيعية لفيزياء الكم لحماية البيانات ونقلها بطريقة يستحيل اختراقها. والتشفير بشكل عام هو تقنية لتشفير البيانات وحمايتها بحيث لا يمكن فك تشفيرها إلا من قِبل الشخص الذي يملك المفتاح السري الصحيح.

ويختلف التشفير الكمي عن أنظمة التشفير التقليدية في أنه يبني نموذج أمانه على الفيزياء بدلاً من الرياضيات. والتشفير الكمي نظام آمن تماماً لا يمكن اختراقه دون علم مرسل الرسالة أو مستقبلها. أي أن نسخ البيانات المشفّرة في حالة كمية أو الاطلاع عليها دون تنبيه المرسل أو المستقبل أمر مستحيل.

آلية عمل التشفير الكمي

من الناحية النظرية، يعمل التشفير الكمي وفق نموذج نُشر عام 1984. ويفترض هذا النموذج وجود مستخدمَين، هما جين وروبرت، يرغبان في تبادل رسالة بأمان. تبدأ جين المحادثة بإرسال مفتاح إلى روبرت، وهذا المفتاح عبارة عن دفق من الفوتونات يتحرك في اتجاه واحد.

ويرتبط كل فوتون ببِت واحد من البيانات، إما 0 أو 1. إلا أن هذه الفوتونات تتذبذب أو تهتز إضافة إلى حركتها الخطية. ونتيجة لذلك، تمر الفوتونات عبر مُستقطِب قبل أن تبدأ جين، المرسلة، عملية الإرسال.

والمُستقطِب هو مرشح يسمح لبعض الفوتونات بالمرور بنفس نمط الاهتزاز، بينما يسمح لغيرها بالمرور بنمط اهتزاز مختلف. ويمكن أن تكون الحالات المستقطبة عمودية (بِت 1)، أو أفقية (بِت 0)، أو بزاوية 45 درجة يميناً (بِت 1)، أو بزاوية 45 درجة يساراً (بِت 0).

وأياً كانت الطريقة التي تستخدمها جين، يحمل البث إحدى حالتَي استقطاب تمثلان بتاً واحداً، إما 0 أو 1. وتنتقل الفوتونات الآن عبر الألياف الضوئية من المُستقطِب إلى جهاز استقبال روبرت. ويُستخدم في هذه التقنية مقسّم شعاعي لقراءة استقطاب كل فوتون.

ولا يعرف روبرت الاستقطاب الصحيح للفوتونات عند استلامه مفتاح الفوتونات؛ لذا يختار استقطاباً عشوائياً. بعد ذلك، تقارن جين المُستقطِبات التي استخدمها روبرت لاستقطاب المفتاح، وتخبره بالمُستقطِب الذي استخدمته لإرسال كل فوتون. ثم يتأكد روبرت مما إذا كان قد استخدم المُستقطِب الصحيح أم لا.

وتُحذف الفوتونات التي قُرئت بالمقسّم الخاطئ، وتُعتبر السلسلة المتبقية هي المفتاح. لنفترض وجود متنصتة تُدعى كارول تحاول التنصت باستخدام الأدوات نفسها التي يستخدمها روبرت.

من ناحية أخرى، يتمتع روبرت بميزة التواصل مع جين للتأكد من نوع المُستقطِب المستخدم لكل فوتون، وهي ميزة لا تملكها كارول. لذا تنتهي كارول إلى تكوين مفتاح نهائي خاطئ. كما سيدرك روبرت وجين إذا كانت كارول تتنصت عليهما، إذ إن مراقبة كارول لتدفق الفوتونات ستغيّر مواقع الفوتونات التي يتوقعها روبرت وجين.