بیگ بنگ: ماشین کوانتومی انیگما توسط محققان دانشگاه‌های روچستر، MIT و موسسه ی ملی استاندارد و تکنولوژی طراحی و تولید شده است. محققان دانشگاه روچستر، پا را از مرز تئوری فراتر گذاشته‌اند و برای نخستین بار ثابت کردند که می‌توانند یک پیغام رمزگذاری شده‌ی غیر قابل شکستن را با کلیدی که بسیار کوچک‌تر از آن پیغام است، ارسال نمایند.

به گزارش بیگ بنگ، تا به امروز، پیغام‌های رمزگذاری شده با امنیت بالا، با استفاده از سیستمی که توسط ریاضیدان آمریکایی کلود شانون (که از او با عنوان پدر تئوری اطلاعات یاد می‌کنند) طراحی شده بود ترجمه و شکسته می‌شد. شانون دانش خود در زمینه‌های جبر و مدارهای الکتریکی را ترکیب کرد و توانست سیستم دوتایی خاصی را برای ترجمه‌ی پیام‌های امنیتی رمزگذاری شده طراحی کند. این سیستم با سه شرط قابل اجرا بود: کدها تصادفی انتخاب شوند، هر کد فقط یک مرتبه استفاده شده باشد و طول کدها حداقل به اندازه‌ی طول خود پیغام باشند.

این یافته‌ توسط دانیل لوم، دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک، و پروفسور فیزیک جان هاول، انجام شده است. هاول در این خصوص گفت: پژوهش دانیل به اندازه‌ی یک قدم بسیار مهم و رو به جلو نه تنها برای رمزگذاری بلکه برای قفل داده‌ها به صورت کوانتومی حائز اهمیت میباشد. قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی، روشی برای رمزگذاری است که توسط پروفسور اطلاعات کوانتومی “ست لوید” در موسسه‌ی تکنولوژی ماساچوست طراحی شده است. در این تکنولوژی از فوتون‌ها، کوچکترین بسته‌های نوری، برای حمل پیام‌ها استفاده می‌شود.

در ابتدا تصور می‌شد که قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی با محدودیت‌هایی برای رمزگذاری پیام‌ها با امنیت بالا همراه است؛ اما لوید این موضوع را اینگونه توضیح داد که با افزودن متغیرها و احتمالات بیشتر که شامل ایجاد پیوند میان نور و ماده می‌شد، می‌توان به یک روش بسیار ایمن برای انتقال داده‌ها دست یافت. در حالی که سیستم باینری (دوتایی) که پیش از این وجود داشت تنها یکی از دو حالت روشن و خاموش را برای هر بیت از اطلاعات مجاز می‌دانست، امواج فوتون می‌توانند راه‌های بسیار بیشتری را جایگزین کنند: زاویه‌ی شتاب می‌تواند تغییر کند، امواج می‌توانند بلندتر و یا کوتاه‌تر از خود پیام باشند، و اندازه‌ی دامنه‌ی امواج را می‌توان براساس نوع کدگذاری اصلاح کرد. از آنجایی که یک فوتون بسیار متغیر است و عدم قطعیت‌های بسیار زیادی در اندازه‌گیری در مقیاس کوانتومی وجود دارد، کلیدهای کوانتومی برای رمزگذاری و یا شکستن یک پیغام می‌توانند از خود آن ‌پیغام کوتاه‌تر باشند.

سیستم لیود تا سال 2016 (یعنی امسال!) به صورت یک تئوری باقیمانده بود. تا زمانیکه لیوم و تیم تحقیقاتی‌اش دستگاهی را طراحی کردند، یک ماشین کوانتومی انیگما، و با استفاده از آن تئوری را به یک سیستم عملی و کاربردی تبدیل کردند. نام این دستگاه از ماشین رمزگذاری‌ای که ارتش آلمان در جنگ جهانی دوم استفاده می‌کرده، گرفته شده است. دستگاه انیگمای اولیه از یک سیستم کدگذاری استفاده می‌کرده که سازمان‌های اطلاعاتی لهستان و انگلستان قادر به شکستن آن بودند.
بیائید فرض کنیم که آلیس می‌خواهد به باب یک پیغام رمزگذاری شده بدهد. آلیس از دستگاه برای تولید فوتون‌هایی استفاده می‌کند که در فضای آزاد سفر می‌کنند و به یک مدولاتور فضایی نوری(SLM) می‌رسند. این مدولاتور خواص فوتون‌های مجزا (مانند شتاب، دامنه و..) به گونه‌ای تغییر می‌دهد که پیام مورد نظر به صورت امواج تخت ولی زاویه‌دار کدگذاری شده و توانایی متمرکز شدن بر روی یک نقطه‌ی منحصر به فرد، که براساس شیب امواج تعیین می‌شود، را داشته باشند.

این مدولاتور فضایی نوری کار دیگری نیز می‌کند: آن زوایای فوتون‌ها را براساس یک الگوی تصادفی به گونه‌ای منحرف می‌کند که امواج دیگر تخت نباشند و توانایی متمرکز شدن بر روی یک نقطه‌ی خاص را نداشته باشند. آلیس و باب هر دو کلیدهای شناسایی عملیات منحرف شدن زوایای فوتون‌ها را می‌شناسند بنابراین، باب می‌تواند با استفاده از دولاتور فضایی نوری خود امواج را مجددا مسطح کرده و فوتون‌ها را در نقطه‌ی مورد نظر متمرکز کند و به این صورت، خواص جایگزین شده را ترجمه کرده و به المنت‌های پیام اصلی تبدیل نماید.

به منظور بهبود و اصلاح زوایای فوتون‌ها، لیوم و تیم همراهش از اصل عدم قطعیت استفاده کردند. این اصل بیان می‌کند که هرچه ما در خصوص یک ویژگی از یک ذره بیشتر بدانیم در خصوص دیگر ویژگی‌های آن کمتر خواهیم دانست (به عبارت بهتر اندازه‌گیری همزمان و با دقت 100 درصد در یک لحظه از تکانه(سرعت) و مکان یک ذره آگاهی پیدا کرد) بر همین اساس، پژوهشگران توانستند شش بیت از اطلاعات قدیمی را با استفاده از تنها یک بیت از کلید، رمزگذاری کنند. به این عملیات قفل کردن داده‌ها می‌گویند. لیوم در خصوص این دستگاه می‌گوید: « درست است که دستگاه‌ها به دلیل از دست دادن فوتون‌ها، صد در صد ایمن نمی‌باشند اما این دستگاه نشان می‌دهد که رمزگذاری پیام‌ها با استفاده از قفل کوانتومی، چیزی فراتر از یک فرضیه می‌باشد.»

هدف نهایی ماشین انیگمای کوانتومی، جلوگیری از حضور یک شخص سوم، مثلا فردی به نام ایو، در متوقف کردن و یا رمزگشایی فرآیند انتقال داده‌ها می‌باشد. یک اصل حیاتی در تئوری کوانتوم وجود دارد که می‌گوید: حرکت مردابی برای اندازه‌گیری در یک سیتم کوانتومی کل سیستم را تغییر خواهد داد. در نتیجه، ایو تنها یک شانس برای ترجمه و رمزگشایی پیام خواهد داشت که موفق شدن در آن تقریبا غیر ممکن به نظر می‌رسد و در نتیجه تعداد نامحدودی(نزدیک به بی نهایت) الگوی حرکتی برای هر فوتون وجود خواهد داشت.

مقاله لیوم و هاول یکی از دو مقاله‌ای بود که به صورت همزمان و با یک موضوع کاملا مشترک، منتشر شد. قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی، عنوان مقاله‌ای بود که توسط فیزیکدان چینی به نام جیان-وی‌پن منتشر شد. لیوم در خصوص انجام این فرآیند گفته است:« شانس اندکی وجود دارد که عملیات فضای آزاد ما بتواند در شرایط جوی کاربردی و مفید باشد. اما، به جای آن ما دریافتیم که می‌توانیم از فیبرهای نوری به عنوان راه کاربردی برای قفل کردن داده‌ها استفاده کنیم و الگوی پن و گروهش نیز دقیقا بر همین اساس میباشد. به هر حال، بشر هنوز در آغاز راه کشف این معامله‌ی بزرگ می‌باشد و برای رشد آن نیاز به تحقیقات بیشتری وجود دارد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریه‌ی Physical Review A منتشر شده است.

مترجم: ندا حائری/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: phys.org