لماذا نحتاج إلى قضبان كمومية وكيف ستوفر البيانات في عالم ما بعد الكم

ما هو الاتصال الكمي

أقترح البدء بالأساسيات والنظر إلى العبارة نفسها. لقد

كلمة "الكم" هي "الاتصال".الاتصال هو مجموعة من التقنيات لنقل المعلومات. في العالم الحديث، نقوم بنقل المعلومات عن طريق تشفيرها في نوع من الإشارات المادية: على سبيل المثال، نقل البيانات في شكل نبضات ضوئية عبر كابل ألياف ضوئية. في الاتصالات الكمومية، على عكس الاتصالات التقليدية، فإن الناقل ليس نبضات ضوئية عادية ذات طاقة عالية بما فيه الكفاية، ولكن الإشارات الكمومية، أي تلك التي لها طبيعة كمومية كبيرة. اتضح أنها في بعض الحالات تجعل من الممكن حل المشكلات التي كان يتعذر الوصول إليها سابقًا تمامًا.

الاتجاه الأكثر تطوراً في التكنولوجيا- التشفير الكمي ، أو بتعبير أدق ، توزيع المفاتيح الكمومية. هذه مجموعة من الأساليب تهدف إلى إنشاء مفتاح سري مشترك بين المستخدمين البعيدين ، والذي يستخدم بعد ذلك للتشفير.

مهمة أخرى للاتصالات الكمومية هي الإرسالالمعلومات الكمومية بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تتحرك التقنيات بسلاسة نحو تطوير الحوسبة الكمومية الموزعة، أي إنشاء، على سبيل المثال، كمبيوتر كم مركزي والعديد من الأجهزة الطرفية التي تحل بعض المهام الفرعية وتنقل البيانات إلى بعضها البعض. يمكن أن يكون البديل لذلك مجموعة من المعالجات الكمومية المترابطة عن بعد. وفي فبراير 2021، أثبت مجموعة من الباحثين من ألمانيا إمكانية نقل المعلومات الكمومية بين معالجين كميين معياريين. ونشرت نتائج التجربة في مجلة العلوم. وهذه خطوة مهمة في تطور التكنولوجيا، والتي أظهرت أنه من الممكن زيادة قوة تقنيات الحوسبة الكمومية من خلال الجمع بين عدة أجهزة في الشبكة.

ميزة تكنولوجية مثيرة للاهتمام هيالحقيقة هي أنه إذا اخترنا في أجهزة الكمبيوتر الكمومية النظام الأساسي الأكثر فعالية لحل مشكلات معينة، فمع تبادل المعلومات الكمومية، يكون كل شيء واضحًا: الفوتونات، أي جزيئات الضوء، تقوم بأفضل عمل. لا توجد بدائل عمليا. ولذلك، فإن الباحثين يدركون بالفعل ما ستكون عليه قاعدة العنصر. الصعوبة الوحيدة هي أن المعلومات الكمومية، التي تنشأ، على سبيل المثال، كجزء من تشغيل جهاز كمبيوتر كمي فائق التوصيل، تُترجم بطريقة أو بأخرى إلى فوتون يمكن نقله عبر مسافات طويلة. ومن ثم تحويله مرة أخرى إلى الشكل الذي يمكن للحاسوب الكمومي الوصول إليه. إذا كان التشفير الكمي يمثل جبهة تكنولوجية واضحة في مرحلة عالية جدًا من الاستعداد، فإن مجال الاتصالات الكمومية المرتبط بتبادل المعلومات الكمومية بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية يعد مهمة كبيرة لا تزال في مرحلة مبكرة إلى حد ما.

بينما في الحوسبة الكمومية فهي ممارسة شائعةالحديث عن الحجم الكمي - زيادة عدد الكيوبتات ودقة العمليات، في الاتصالات الكمومية في سياق واسع لا يوجد حتى الآن مقياس واحد. في التشفير الكمي، يركز العلماء على معدل توليد المفاتيح على أي مسافة. في أغلب الأحيان، يتم أخذ سرعة توليد المفتاح البالغة 50 كم بعين الاعتبار، مما يسمح لك بمقارنة الأجهزة المختلفة. في بعض الأحيان يقومون أيضًا بدراسة بعض الخصائص المقيدة، على سبيل المثال، المسافة القصوى لتوليد المفاتيح.

كوانتا السكك الحديدية

هناك العديد من المجالات حول نظام النقل بالسكك الحديدية حيث يمكن أن تكون الاتصالات الكمومية (بما في ذلك التشفير) مفيدة.

بادئ ذي بدء ، هذه قصة عن الألياف البصريةالكابلات. يعد كابل الألياف الضوئية أحد الأدوات الرئيسية لنقل المعلومات الكمية. في التشفير الكمي ، نستخدمه لنقل الفوتونات التي تشكل مفاتيح التشفير.

ثانيًا ، البنية التحتية للسكك الحديدية نفسها -مجموعة من الأشياء التقنية المعقدة التي يجب حمايتها. من الناحية المثالية ، إذا كان لدينا توزيع كمي للمفاتيح على طول خطوط السكك الحديدية ، فيمكننا استخدام هذه المفاتيح الكمية لحل مشاكل أمن المعلومات الناشئة في صناعة السكك الحديدية.

وأخيرًا ، العديد من خطوط السكك الحديدية -ليس فقط نقل الأشخاص ، ولكن أيضًا نقل كمية كبيرة من البيانات المختلفة. على سبيل المثال ، موسكو - بطرسبورغ ، أحد المشاريع الرئيسية للسكك الحديدية الروسية. قيمة المسار واضحة: هناك عدد هائل من مستخدمي البيانات في موسكو وعدد لا يقل عن ذلك في سانت بطرسبرغ. إنهم يتبادلون قدرًا كبيرًا من المعلومات المفيدة التي تحتاج إلى الحماية ، لذا فإن فكرة استخدام التشفير الكمي هي بلا شك مبررة اقتصاديًا.

عادة تنفيذ التوزيع الكمييتم تنفيذ المفاتيح بين النقطتين A و B ، الواقعة على مسافة تزيد عن مائة كيلومتر ، عن طريق إضافة عُقد وسيطة إضافية موثوق بها على الطريق من A إلى B. وتسمى هذه الشبكة "العمود الفقري" (بالإنجليزية. backbone) - "مرحبا التكنولوجيا"). من الممكن أيضًا إنشاء بنية الحلقة في العالم: عندما يفشل جزء من الحلقة ، يمكن إرسال المعلومات إلى جزء آخر من الحلقة. مع تصميم النظام النجمي ، يعمل المكتب المركزي والعمارة الطرفية - فهي مناسبة للهندسة المعمارية الموزعة. يمكن أن تكون هناك هياكل مغلقة ومفتوحة ، متشعبة ، مثل شبكة بكين وشنغهاي ، وهذا نوع من "العمود الفقري" مع مجموعة من شبكات المسافات الطويلة.

التشفير الكمي وما بعد الكم

لا تفترض أن التشفير هوحصريا للشركات في القطاع المالي أو المصرفي ، فهي تهم الجميع. علينا جميعًا تبادل البيانات بشكل مشفر ، لأن بعض المعلومات التي نستخدمها ذات قيمة عالية بالفعل. على سبيل المثال ، نريد إجراء عملية شراء عبر الإنترنت باستخدام بطاقة ائتمان. للقيام بذلك ، نحتاج إلى تحويل تفاصيل بطاقة الائتمان بطريقة أو بأخرى إلى البنك ، ولكن حتى يتمكن البنك من شطب الأموال ، لكن المهاجم لا يفعل ذلك.

يعتمد نموذج التشفير على حقيقة أن الطريقةالتحول معروف للمهاجم. أي أنه يعرف كيف نقوم بالتشفير، لكنه لا يعرف معلمة التشفير السرية الوحيدة - مفتاح التشفير. وهذا يعني أنه من أجل تنفيذ دورة التشفير، نحتاج إلى تبادل مفتاح التشفير بطريقة أو بأخرى مع متلقي المعلومات.

كيف يمكنني نقل المفاتيح؟لحل هذه المشكلة، تم استخدام سعاة خاصين على مستوى الدولة والشركات. يتم تنفيذ الطريقة جزئيا حتى يومنا هذا - على سبيل المثال، من قبل الدبلوماسيين. وعيوب هذا النهج واضحة: فهو معقد، وغير مجد اقتصاديا، ومناسب وظيفيا فقط لعدد صغير جدا من العمليات - فلن تتمكن من شراء كتاب على الإنترنت بهذه الطريقة.

في مكان ما في منتصف السبعينيات والثمانينيات جديدالمفهوم هو تشفير المفتاح العام. الفكرة هي أنه يمكننا إنشاء مفتاح تشفير من خلال تنفيذ مجموعة من الإجراءات الرياضية. لذلك، نحن، كمستخدمين شرعيين، لن نحتاج إلا إلى إجراء عمليات حسابية فعالة، مثل ضرب الأرقام. ولكي يتمكن المهاجمون من الوصول إلى مفاتيحنا، سيحتاجون إلى تنفيذ عملية معقدة - على سبيل المثال، تحليل الأرقام إلى عوامل أولية.

لا يزال هذا المفهوم يعمل بشكل رائع اليوم، ولكنفي مرحلة ما، أصبح من الواضح أنه في اللحظة التي يظهر فيها حاسوب كمي قوي بما فيه الكفاية، فإن الجيل الحالي من الخوارزميات، المبني على مشاكل مثل تحليل الأعداد إلى عوامل أولية، لن يكون مستقرا. ستكون هناك حاجة إلى وسائل جديدة لتوليد مفاتيح التشفير، حيث أن العنصر الرئيسي الضعيف في التشفير مع ظهور الكمبيوتر الكمي سيكون توزيع المفاتيح والتوقيعات الرقمية.

هناك نوعان من الأساليب الجديدة في الأساس لحل مشكلة. الأول هو التشفير الكمي ، وهو توزيع المفتاح الكمي (الذي وصفناه سابقًا). يعمل التشفير الكمي على النحو التالي: نقوم بتشفير أجزاء من المعلومات في حالات كمية مفردة من الضوء (الفوتون) وننقلها. يمكن أن يحدد مستوى الأخطاء في الإرسال على الفور درجة اقتحام المتسللين. إذا لم يتجاوز معدل الخطأ حدًا معينًا ، فإننا نقول إنه يمكننا تقصير مفاتيحنا بطريقة خاصة بحيث تكون معلومات المعترض حول المفاتيح المختصرة ضئيلة للغاية. يسمى هذا الإجراء "التصلب" وهو مطلوب للحصول على المفاتيح السرية النهائية.

وهكذا نحل مشكلة التوزيعمفاتيح التشفير إذا كان لدى المتسللين جهاز كمبيوتر كمي ، حيث لا يمكن كسر التشفير الكمي باستخدام جهاز كمبيوتر كمي. الفوائد: الأمان الأساسي المستند إلى الفيزياء. العيوب: قيود على المسافة والتكلفة وسرعة توليد المفتاح. من المهم أيضًا ملاحظة أن أنظمة توزيع المفاتيح الكمومية هي أنظمة أجهزة وبرامج معقدة. على الرغم من حقيقة أن أمان المفاتيح المتولدة الكم قد تم إثباته على أساس بديهيات ميكانيكا الكم ، فهناك دائمًا خطر وجود نقاط ضعف في تنفيذ مادي معين.

الطريقة الثانية - تشفير ما بعد الكم - فكرةإنشاء خوارزميات تشفير غير متناظرة جديدة ، مبنية ليس على مشاكل تحليل الأرقام إلى عوامل أولية ، ولكن على مشاكل رياضية معقدة أخرى ، والتي لن يكون للحاسوب الكمومي أي مزايا في حلها. على سبيل المثال ، البحث عن تضارب في دالة تجزئة. اتضح أنه إذا قمنا ببناء التوقيع أو توزيع المفاتيح على بدائل ما بعد الكم ، كما يقولون ، يمكننا الدفاع عن أنفسنا ضد الهجمات باستخدام الكمبيوتر الكمومي.

إن التشفير ما بعد الكمي كافٍ اليوممتطورة: المكتبات التجارية والحلول والمنتجات معروضة بالفعل. تمر التكنولوجيا الآن بمرحلة التوحيد القياسي: في روسيا وفي العالم هناك عملية تحديد الحلول التي سيتم توحيدها. أعتقد أنه في أفق عام 2024 سيتم إصلاح المعايير. مزايا التكنولوجيا: البساطة وسرعة التكامل العالية (نظرًا لأننا نتحدث عن البرامج)، وتحديثات البرامج المنتظمة. واليوم بالفعل، تُستخدم مثل هذه الحلول لتعزيز حماية البيانات القيمة لمجموعة واسعة من الخدمات والتطبيقات لمستخدمي الشركات والأفراد (تطبيقات الويب والهواتف المحمولة وسطح المكتب). العيب الرئيسي هو أن سرية التشفير ما بعد الكمي لا تزال تعتمد على بعض الافتراضات حول صعوبة حل فئات معينة من المشكلات الرياضية. هناك دائمًا بعض الاحتمال الافتراضي لظهور حاسوب "ما بعد الكم"، والذي سيكون من الممكن من خلاله اختراق خوارزميات ما بعد الكم. على عكس توزيع المفتاح الكمي. لا توجد قوة يمكن إثباتها بشكل أساسي هنا - تستمر دراسة هذه الخوارزميات من وجهة نظر مقاومتها.

ومن الجدير بالذكر أن هاتين التقنيتين يمكن أن تكونمجتمعة بشكل جيد للغاية. وبالتالي، يمكن حماية قنوات نقل البيانات الأساسية المحملة بشكل كبير، على سبيل المثال، بين مراكز البيانات التابعة للشركات الكبيرة باستخدام التشفير الكمي. ويتم إجراء مراسلاتنا أو معاملتنا المصرفية بألف روبل باستخدام التشفير ما بعد الكمي. وهذا يعني أنه لا ينبغي معارضة التشفير الكمي وما بعد الكمي، بل يجب التفكير فيهما بشكل مثمر كتقنيات تآزرية. كل ما في الأمر هو أن أحدهما يركز بشكل أكبر على طبقة المكدس المتعلقة بالبنية التحتية، والآخر يتعلق بالمستخدم.

معيار التشفير الكمي موجود أيضًايتم تشكيلها. سيكون المعيار عبارة عن بروتوكول محدد، أي طريقة محددة لتحديد الحالة الكمومية التي يجب اتخاذها، وكيفية إعدادها وقياسها، وما يجب فعله بها بعد ذلك. يوجد حتى الآن مرشح واحد للمعايير - بروتوكول BB84 ذو الحالات الخادعة. يضمن هذا البروتوكول إنشاء المفتاح السري. لكن البروتوكولات الجديدة تظهر باستمرار.

blockchain الكمومي والشركات الناشئة

في السنوات الأخيرة، تم إيلاء الكثير من الاهتمام لتقنيات blockchain - تقنيات إدارة قواعد البيانات الموزعة. تستخدم Blockchains أداتين مهمتين للتشفير. أولاً، التوقيعات الإلكترونية لتأكيد تأليف المعاملات التي نريد إرسالها إلى الكتل. ثانيا، مجموعة متنوعة من الأساليب لتحقيق الإجماع. على سبيل المثال، تعتمد إحدى الطرق، إثبات العمل (بالإنجليزية، إثبات العمل - "High-Tech")، على وظائف تجزئة التشفير.

Blockchain معرضة للخطر ضد الكمبيوتر الكميخاصة إذا تم استخدام التوقيعات الإلكترونية وآليات الإجماع، والتي لا تقاوم هجمات الكمبيوتر الكمومي. ومع ذلك، من الممكن إنشاء سلاسل كتل مقاومة لمثل هذه الهجمات، وهي سلاسل كتل آمنة كميًا (كميًا). تستخدم تقنية blockchain الكمومية التشفير الكمي أو ما بعد الكمي (أو مزيجًا منهما) وتسمح بجعل التوقيعات والإجماع أكثر مقاومة للكمبيوتر الكمومي.

مع مراعاة مصلحة المستخدمين الروسيمكننا أن نتوقع ظهور blockchain الكمي في البلاد في العامين أو الثلاثة أعوام القادمة. في البداية ، من الضروري إنشاء بنية تحتية لشبكات الاتصالات الكمومية ، والتي سيتم إنشاء نظام موزع عليها في المستقبل.

التواصل الكمي هو الأكثر شيوعًااتجاه عمل الشركات الروسية الناشئة. العديد من أقسام الشركات الكبيرة ، بائعي أمن المعلومات الكلاسيكي ، تعمل في السوق. هذه هي الشركات الناشئة القائمة على جامعة ITMO و Quanttelecom وأقسام الشركات المتخصصة في أمن المعلومات و InfoTeKS و Cryptosoft. QRate هو جزء من مركز الكم الروسي منذ عام 2017. من المرجح أن تعمل الشركات الناشئة مع المنح والاستثمارات الخاصة. صفقات المشاريع في روسيا لا تزال مجهولة بالنسبة لي.

إنترنت الأشياء وأمن الكم

العديد من أجهزة إنترنت الأشياء - أجهزة الاستشعار -يمكن أن تكون كلاسيكية وكمية. لنفترض أن لدينا مجموعة من أجهزة الاستشعار الكلاسيكية، وأجهزة إنترنت الأشياء، وبوابات التحكم التي تحتوي على معلومات سرية. ولربطهما معًا، تحتاج إلى بروتوكول حماية تشفير، مرة أخرى، الاتصالات الكمومية.

في هذا الاتجاه، حتى الآن لا يوجد سوىالنماذج الأولية التي تحمي العناصر أو الأجهزة الفردية - من السابق لأوانه الحديث عن النطاق الصناعي. أولاً، يحتاج العالم إلى فهم قيمة الاتجاه، واختيار جهاز إنترنت الأشياء الذي يحتاج إلى الحماية وتنفيذ الاتصال الكمي بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك، يجب التغلب على عدد من العوائق التقنية.

اليوم ليس من الواضح تمامًا ما هو موجود بالضبطيجب حماية إنترنت الأشياء على هذا المستوى العالي. ومع ذلك، مع انتشار تكنولوجيا إنترنت الأشياء، تزداد أيضًا قيمة المعلومات وقيمة اختراقها. من الناحية النظرية، يمكن أن تكون القرصنة خطيرة بشكل خاص في الإنتاج الآلي بالكامل. وبالتالي، إذا نقلت أجهزة الاستشعار معلومات غير صحيحة إلى مركز صنع القرار، فسيتم اتخاذ القرارات بشكل غير صحيح، ويمكن أن يكون الضرر الاقتصادي الناجم عن مثل هذا الهجوم كبيرًا جدًا.

خمس صناعات حيث سيتم تطبيق الاتصالات الكمومية قريبًا

• تمويل.البنوك هي أول من يتبنى التقنيات الجديدة.

• القطاع العام.هنا، ترتبط الاتصالات ببيانات المستخدم، والأنظمة الحكومية، والانتخابات، أي جميع المجالات التي يكون فيها مستوى عالٍ من الحماية مهمًا.

• الاتصالات السلكية واللاسلكية.خدمات تخزين المعلومات عن بعد (الحماية الجيدة مهمة أيضًا بالنسبة لهم). يمكن تشفير البيانات المخزنة باستخدام الطريقة الكمومية.

• الدواء.يجمع العالم المزيد والمزيد من البيانات الجينية ،التي تحدد الحياة الكاملة للإنسان وخصائصها. في عدد من البلدان ، هناك عملية جارية بالفعل لإعطاء القوة القانونية لجزء من البيانات الجينية للشخص ، معادلة ذلك ببيانات جواز السفر. من المهم أيضًا حمايتهم من الهجمات والتلاعب.

• طاقة.ومن المهم حماية إدارة البنية التحتية الكبيرة، وأنظمة التشغيل الآلي، ونقل الطاقة. يتم استخدام التشفير بالفعل في العديد من النقاط في مثل هذه الأنظمة.

اتصالات الكم في العالم وروسيا

أصبحت الاتصالات الكمومية حول العالم جزءًا منهاالبرامج الوطنية لتقنيات الكم. يعتبر الخبراء أن الصين هي الرائدة عالميًا، لكن الاتصالات تتطور أيضًا بنشاط في الاتحاد الأوروبي. تحتفظ شركة Toshiba اليابانية بمختبر في كامبريدج، وهناك العديد من المشاريع تعمل في المملكة المتحدة والولايات المتحدة (لكن الأخيرة لا تزال تركز بشكل أكبر على الحوسبة الكمومية).

يشبه مجال الاتصالات الكمومية في روسياجاذبية الاستثمار. المستوى التكنولوجي للتشفير الكمي الروسي اليوم يمكن مقارنته بالمستوى العالمي ، وبعض الحلول للمعالجة اللاحقة للمفاتيح تبدو أفضل من نظيراتها في العالم.

مثل أي تكنولوجيا حديثة إلى حد ما،تواجه الاتصالات الكمومية بعض الصعوبات مع التطور الواسع النطاق. وإلى أن تكون هناك سابقة في العالم بالقرصنة أو سرقة أي معلومات قيمة باستخدام الكمبيوتر الكمي، فإن التشفير الكمي يبدو أشبه بالتأمين. ولا يفهم الناس ما إذا كان يتم تحقيق إمكاناتها بالكامل، الأمر الذي يجعل بدوره من الصعب جذب الاستثمار. لإثبات الإمكانية، تحتاج إلى اختراق واحد على الأقل. وللكشف عن ذلك أيضًا، يفتقر السوق الروسي إلى مشاريع مثل خريطة الطريق؛ الإنتاج الضخم للأجهزة ومحاولات تحسينها.

لا تشارك جميع الشركات البيانات علنًا حول ما إذا كانما هي مرحلة التطوير هي حلولهم. QRate لديه منتج نهائي ، جاهز للاستخدام الصناعي ؛ العملاء المحتملين ، على سبيل المثال ، Gazprombank ، يختبرونه. اختبر Sber أيضًا أنظمة الشركة للتسامح مع الأخطاء لمدة عام. تعمل الشركة الناشئة على تطوير تقنية اتصالات الكم مع التركيز على تنفيذ الألياف البصرية.

بدأ البناء في ديسمبر 2020شبكة كم العمود الفقري موسكو - سانت بطرسبرغ بواسطة السكك الحديدية الروسية. يتكون هذا الخط من مقاطع على مسافة 100-200 كم. هناك حاجة لتقليل الخسائر في إرسال الإشارات ، وإعادة تشفير الإشارة في العقد. تُستخدم العقد الكلاسيكية الموثوقة في الشبكة لأن مكررات الكم لم يتم تطويرها بشكل كافٍ بعد (مشكلة أخرى من المشكلات العلمية الكبيرة). بشكل عام ، هذه الشبكة هي مثال لمشروع قابل للتطبيق اقتصاديًا في مجال الاتصالات الكمومية بكمية كبيرة من البيانات المتداولة بين موسكو وسانت بطرسبرغ. ستساعد الشبكة ، من بين أمور أخرى ، على حماية قنوات الاتصال التي سيتم من خلالها التحكم في Sapsans و Swallows بدون طيار.

قراءة المزيد:

تسبب تباطؤ دوران الأرض في إطلاق الأكسجين على الكوكب

اكتشف علماء الفلك هياكل غير عادية في الفضاء السحيق

شاهد المزيد من الفن الصخري لإنسان نياندرتال الذي يبلغ عمره 60 ألف عام