High-rate multipartite quantum secret sharing with composable security
تُثبت هذه الورقة تجريبياً بروتوكولاً لتقاسم الأسرار الكمومية متعدد الأطراف، يتميز بمعدل مرتفع وأمان قابل للتركيب، باستخدام حالات "GHZ" المكونة من 4 كيو بتات والموزعة عبر شبكة ألياف بصرية بطول 20 كم، محققةً معدل مفتاح سري يبلغ 750 بت في الثانية، مع توقع إنتاج مفتاح آمن قدره 8.7 ميجابت خلال 24 ساعة، مع توفير أمان قوي ضد الهجمات العامة وهجمات المشاركين.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في المستقبل، قد يتطور الإنترنت إلى شيء أكثر أماناً بكثير من الشبكات التي نستخدمها اليوم، معتمداً على القواعد الغريبة لفيزياء الكم لحماية المعلومات. وفي قلب هذه الثورة المحتملة يكمن مفهوم يسمى "المشاركة السرية الكمومية". تخيل خزنة لا يمكن فتحها إلا إذا عملت مجموعة محددة من الأشخاص معاً؛ فإذا غاب شخص واحد فقط، يظل السر مغلقاً بعيداً. هذا هو جوهر مشاركة الأسرار، وهي طريقة تُستخدم لتوزيع قطعة من المعلومات بين العديد من الأشخاص بحيث لا يمكن إلا لفريق مصرح له إعادة بنائها. وبينما توجد نسخ كلاسيكية من هذا المفهوم، إلا أنها تعتمد على التعقيد الرياضي الذي يمكن يوماً ما كسره بواسطة حواسيب قوية. وتوفر المشاركة السرية الكمومية مساراً مختلفاً، باستخدام القوانين الأساسية للطبيعة للكشف عما إذا كان أي شخص يحاول التجسس أو التصرف بشكل غير نزيه. وكان التحدي يكمن في جعل هذا يعمل في العالم الحقيقي، خاصة عند التعامل مع أشخاص متعددين قد لا يثقون ببعضهم البعض، وضمان بقاء النظام آمناً حتى عندما يكون عدد نقاط البيانات التي يتم جمعها محدوداً.
لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة للأمام من خلال استعراض نسخة عاملة من هذه التكنولوجيا تتسم بالسرعة والأمان الصارم في آن واحد. فقد بنوا تجربة لاختبار بروتوكول يقوم فيه "موزع" مركزي بتوزيع سر على مجموعة من المشاركين، مما يضمن عدم إمكانية استعادة السر إلا إذا تعاون الجميع في المجموعة. استخدم الباحثون جسيمات الضوء، وتحديداً الفوتونات، لحمل المعلومات. وقد ولدوا حالة خاصة من أربعة فوتونات مرتبطة معاً بطريقة تتحدى الحدس الكلاسيكي؛ حيث يؤثر قياس أحدها فوراً على الآخرين، بغض النظر عن مدى بعدهم. هذه الحالة المرتبطة، المعروفة باسم حالة (GHH)، كانت بمثابة المركبة للسر. وقد تمكن الفريق من إنشاء هذه الروابط الرباعية الفوتونية بمعدل يزيد عن خمسة آلاف مرة في الثانية، وهو معدل مرتفع بشكل ملحوظ لمثل هذه الحالات الكمومية المعقدة.
صُممت التجربة لاختبار ليس فقط السرعة، بل أيضاً الأمان ضد نوع معين من التهديدات: المشارك غير النزيه. في العديد من المحاولات السابقة، كان بإمكان شخص واحد غير موثوق به في المجموعة تعلم السر دون مساعدة الآخرين، ببسا de عبر التلاعب بترتيب أفعاله. وقد طبق الباحثون طريقة جديدة تمنع ذلك. فمن خلال التحليل الدقيق للبيانات المستمدة من قياساتهم، استنتجوا أن النظام سيحمي السر حتى لو حاول واحد أو أكثر من المشاركين التصرف بشكل غير نزيه، بافتراض أن إحصائيات المصدر والجهاز تظل ثابتة. وقد وزعوا هذه الفوتونات المرتبطة عبر شبكة من الألياف الضوئية يصل طولها إلى عشرين كيلومتراً، مما يحاكي اتصالاً في العالم الحقيقي بين خادم مركزي وثلاثة مستخدمين مختلفين. كان الإعداد على شكل نجمة، حيث يوجد المصدر في المنتصف والمستخدمون عند أطراف الأذرع.
على مدار عشر ساعات من العمل المخبري، جمع الفريق ملايين أحداث القياس. وقاموا بتحليل الأخطاء ومعدلات وصول الفوتونات لحساب مقدار المعلومات السرية التي يمكن استخراجها بأمان. وأظهرت النتائج أن النظام يمكنه توليد مفتاح آمن بمعدل حوالي 750 بت في الثانية في سيناريو مثالي لانهائي. والأهم من ذلك، أنه عند أخذ حقيقة أن لديهم كمية محدودة من البيانات في الاعتبار، أظهرت حساباتهم أن تشغيل هذا النظام الأمثل ليوم كامل سيسفر عن سر آمن يقارب تسعة ملايين بت. ويؤكد هذا الحد الأدنى أن البروتوكول ليس سليماً من الناحية النظرية فحسب، بل هو قابل للتطبيق عملياً لتوليد كميات كبيرة من البيانات الآمنة، بشرط أن يعمل النظام باختيار أساس عشوائي حقيقي.
كما عالج الباحثون مسألة الكفاءة. ففي النسخ السابقة من مثل هذه البروتوكولات، كان على المشاركين اختيار إعدادات القياس الخاصة بهم بشكل عشوائي ومتساوٍ، مما أدى إلى هدر الكثير من البيانات المحتملة لأن الإعدادات غالباً ما كانت لا تتطابق. وقد أظهر الفريق أنه من خلال تحيز خيارات الإعدادات قليلاً نحو التكوين الأكثر فائدة، يمكنهم زيادة كمية المفاتيح السرية المولدة بشكل كبير دون المساس بالأمان. سمح هذا التحسين لهم بالوصج إلى كفاءة تضاهي طرق الاتصال الأكثر موثوقية، ولكن مع الإضافة المتمثلة في القدرة على كشف المشاركين غير النزهاء. اعتمدت التجربة على بلورات عالية الجودة لإنتاج الفوتونات وكواشف فائقة التوصيل لعدّها، مما ضمن بقاء الضوضاء في النظام منخفضة بما يكفي للحفاظ على سلامة السر.
وبينما يعد هذا العرض بمثابة إثبات للمبدأ، فإنه يسلط الضوء على المسار نحو مستقبل يمكن فيه للشبكات الكمومية تنسيق المجموعات من الناس بشكل آمن. وأشار الباحثون إلى أن توسيع نطاق هذا الأمر ليشمل شبكات أكبر سيتطلب مصادر ضوء أكثر تقدماً وطرقاً أفضل للتعامل مع فقدان الفوتونات عبر المسافات الطويلة. كما أشاروا إلى أن إعدادهم الحالي استخدم أجهزة محركة لتبديل إعدادات القياس في مجموعات (blocks)، وهو أمر أبطأ مما قد يحتاجه نظام آمن تماماً ويعمل في الوقت الفعلي. وتحديداً، فإن الاستحواذ بنظام المجموعات المستخدم في التجربة لا يعيد إنتاج شرط أخذ العينات العشوائية العدائي المطلوب للأمان القابل للتركيب ضد الهجمات العامة؛ لذا يجب تفسير القيم المبلغ عنها كإسقاط للأداء لتنفيذ يعتمد على اختيار أساس عشوائي حقيقي. ومع ذلك، فإن البيانات التي تم جمعها توفر معياراً مرجعياً صلباً لما هو ممكن. ومن خلال الجمع بين التوليد عالي السرعة والتحليل الأمني الصارم الذي يأخذ في الاعتبار البيانات المحدودة والمستخدمين غير النزهاء، ينقل هذا العمل المشاركة السرية الكمومية من مجرد فكرة نظرية إلى واقع ملموس، مما يقدم معياراً جديداً لكيفية مشاركة المجموعات للأسرار في عالم متصل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.