كيف يعمل ميكانيك الكم من أجل الأمان على الإنترنت

الرسائل السريعة والمستعصية هي العمود الفقري للإنترنت الذي نعرفه. 

يحمي التشفير cryptography المعقد حساباتنا البنكية وهوياتنا من عمليات الاحتيال، مما يسمح لنا بالبيع والشراء بأمان عبر شبكة الإنترنت دون الحاجة لمغادرة غرف معيشتنا المريحة. ولكن المدخل المحتمل للحواسيب الكمومية الفائقة quantum computers يجعل من معلوماتنا الشخصية أكثر عرضةً للهجمات المباشرة.

أما الآن، فقد طور الباحثون في مختبرات جامعة بريستول للهندسة التقنية الكمومية Bristol's Quantum Engineering Technology Labs أو اختصاراً QETLabs، دارات من رقاقات ميكروية إذ تستغل عالم ميكانيكا الكم الغريب وتوفر مستوى محسن من الأمن باستخدام قوانين الفيزياء الكمومية.

توزع هذه الأجهزة مفاتيح التشفير cryptographic keys باستخدام خواص التشابك الكمومي Quantum Entanglement والتموضع الفائق superposition، إضافة إلى العشوائية المطلقة randomness التي يوفرها السلوك الكمومي، وهذا غير قابل للتحقيق إلا عن طريق ميكانيك الكم.

يقول الباحث الرئيسي البروفيسور مارك تومسون Mark Thompson: "يسمح النظام الذي قمنا بتطويره بتبادل المعلومات باستخدام فوتونات photons ضوئية مفردة في حالة كمومية quantum state".

ويضيف: "في حال تعرض الإرسال للاختراق من قبل متنصت، فإن ذلك سيسبب انهيار الحالات الكمومية وسينذرك النظام حالاً بوجوده وسوف ينهي الإرسال".

نشر هذا العمل في عدد شباط/فبراير من مجلة Nature Communications، حيث طرح أول نظام اتصالات رقاقة لرقاقة chip-to-chip مؤمن كمومياً، باستخدام دارات ميكروية يبلغ حجمها بضعة ميلليمترات.

هذا التعاون العالمي -الذي ضم باحثين من بريستول وغلاسكو Glasgow والمؤسسة الوطنية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات NiCT في اليابان- استخدم مصنعين لرقاقات من أنصاف النواقل semiconductor chip على نطاق تجاري لصنع أجهزتهم بشكل مشابه لنماذج انتل Intel السيليكونية في وحدات المعالجة المركزية CPU.

لكن بدلاً من استخدام الكهرباء، استخدمت هذه الأجهزة المصغرة الضوء لترميز المعلومات عند مستوى الفوتون المفرد single photon level، مما وفر مفاتيح تشفير غير محدودة العمر.

و أضاف المؤلف الرئيسي فيليب سيبسون Philip Sibson: "يمهد بحثنا الطريق للعديد من التطبيقات التي لم تكن ممكنة إلى الآن، هذه التكنولوجيا المصغرة في الأجهزة المحمولة قد حسنت من وظائف شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية، وتوظف التصنيع الفعال من حيث التكلفة من أجل تمكين تفعيل تقنية توزيع مفاتيح التشفير الكمومية في المنازل".

وتابع فريق بريستول تطوير هذه التقنية، مبيناً تصميماً مبتكراً يوفر الوظائف نفسها في عملية متوافقة لنصف ناقل مكمل مصنع من أكسيد المعدن complementary metal-oxide-semiconductor أو اختصاراً CMOS، وظهر ذلك في عدد فبراير من مجلة Optica الإلكترونية.

وبينما استخدمت الأجهزة الأولى طرق تصنيع أكثر كلفةً وتعقيداً، تصنع أجهزة الجيل القادم من السيليكون القياسي، مما يمهد الطريق للدمج المباشر مع الدوائر الإلكترونية الميكروية microelectronic circuits. سيؤدي كل ما سبق إلى تحقيق التكامل في الأجهزة الكهربائية التي نستخدمها يومياً، مثل الهواتف النقالة والحواسيب المحمولة.

ويشرح الدكتور كريس إرفين Chris Erven: "كجزء من مركز الاتصالات الكمومية في المملكة المتحدة Quantum Communications Hub، نحن في طور تشغيل هذه الأجهزة في قلب شبكة الألياف البصرية fibre-optic network في مدينة بريستول، وهذا سيسمح لنا باختبار هذه الأنظمة عالية الأمان ضمن سيناريوهات العالم الواقعي".





المصدر