Quantum Hashing with QKD States

في عالم أمن المعلومات، هناك سباق مستمر بين أولئك الذين يحكمون إغلاق البيانات وأولئك الذين يحاولون فتح الأقفال. ومن أكثر الأدوات موثوقية لإغلاق البيانات هي البصمة الرقمية، المعروفة باسم "الهاش" (hash). تخيل آلة تأخذ رسالة طويلة ومعقدة وتقوم بضغطها في سلسلة قصيرة وفريدة من الحروف. إذا تغير حرف واحد فقط في الرسالة الأصلية، تتغير السلسلة الناتجة تمامًا، مما يجعل اكتشاف التلاعب أمرًا سهلاً. يبرز التحدي عندما تريد إثبات امتلاكك للبصمة الصحيحة دون عرض البصمة نفسها، وهي مهمة صعبة بالنسبة للحواسيب التقليدية ولكنها قد تكون أسهل بكثير بالنسبة للآلات الكمومية. تستخدم الحواسيب الكمومية القواعد الغريبة للفيزياء التي تحكم الجسيمات الأصغر لمعالجة المعلومات بطرق لا تستطيع الآلات الكلاسيكية القيام بها. يمر هذا المجال حاليًا بمرحلة تكون فيها الأجهزة قوية بما يكفي للقيام ببعض العمل الحقيقي، ولكنها لا تزال محدودة بالضجيج والعيوب، وهي مرحلة يسميها العلماء عصر "NISQ". والسؤال الذي يطرحه الباحثون هو ما إذا كان بإمكاننا بناء أدوات أمن كمومية مفيدة باستخدام الأجهزة التي نمتلكها الآن، بدلاً من انتظار آلات مستقبلية مثالية.

لقد اقترح فريق من الفيزيائيين من جامعة كازان الفيدرالية ومعهد زافويسكي للفيزياء والتقنية في روسيا طريقة جديدة لبناء هذه البصمات الرقمية باستخدام نفس التكنولوجيا التي تشغل شبكات الاتصال الكمومي الحالية. يركز عملهم على طريقة تسمى "الهاش الكمومي" (quantum hashing)، والتي تنشئ حالة كمومية تمثل قطعة من البيانات. أدرك المؤلفون أن أكثر وظائف الهاش الكمومية كفاءة التي تم تصورها سابقًا كانت تتطلب هندسة متقدمة قد لا تكون ممكنة لسنوات. وبدلاً من ذلك، صمموا بناءً جديدًا يعتمد كليًا على اللبنات الأساسية لبروتوكول BB84، وهو طريقة قياسية لمشاركة المفاتيح السرية تُستخدم بالفعل في الأجهزة الكمومية التجارية. ومن خلال استخدام حالات ضوء محددة يمكن لهذه الآلات الموجودة بالفعل توليدها وقياسها، أظهر الباحثون أن الأجهزة اللازمة لإنشاء والتحقق من هذه الهاشات الجديدة متوفرة بالفعل. التغيير الوحيد المطلوب هو في البرمجيات الكلاسيكية التي تتحكم في الأجهزة، وليس في الأجهزة الكمومية نفسها.

يتضمن جوهر ابتكارهم أخذ قطعة من البيانات وترجمتها إلى نمط من الحالات الكمومية باستخدام بنية رياضية معروفة باسم "كود تصحيح الخطأ" (error-correcting code). فكر في هذا الكود كقواعد تضيف معلومات إضافية إلى الرسالة للمساعدة في اكتشاف الأخطاء وإصلاحها. يأخذ الباحثون سلسلة ثنائية من البيانات ويستخدمون هذه القواعد لتقسيمها إلى جزأين؛ جزء يحدد الحالة الكمومية المحددة التي سيتم إنشاؤها، بينما يحدد الجزء الآخر "الزاوية" أو الأساس الذي سيتم من خلاله رؤية تلك الحالة. وتؤدي هذه العملية إلى مجموعة من الجسيمات الكمومية الفردية، حيث يحمل كل منها جزءًا صغيرًا من بصمة البيانات الأصلية. وتكمن روعة هذا النهج في أنه يحول مشكلة إنشاء هاش آمن إلى مشكلة إعداد حالات كمومية محددة، وهي مهمة روتينية لأنظمة توزيع المفاتيح الكمومية المستخدمة حاليًا.

لضمان أمن هذه الطريقة الجديدة، كان على الفريق إثبات أنه من الصعب للغاية العثور على قطعتين مختلفتين من البيانات تنتجان نفس البصمة الكمومية، وهي مشكلة تُعرف باسم "التصادم" (collision). لقد أثبتوا رياضيًا أنه إذا تم اختيار الكود الأساسي بشكل صحيح، فإن احتمال أن تؤدي مدخلات مختلفة إلى إنشاء حالات كمومية متطابقة تقريبًا هو احتمال ضئيل للغاية. وتحديدًا، أظهروا أنه باستخدام نوع معين من الأكواد يسمى "كود BCH"، يمكنهم ضمان أن احتمالية حدوث تصادم تهبط إلى ما دون عتبة معينة، مما يجعل النظام قويًا ضد الهجمات. وتؤكد حساباتهم أنه بالنسبة لمدخلات ذات حجم معين، فإن الهاش الكمومي الناتج سيكون آمنًا بما يكفي للاستخدام التشفيري العملي.

كما تناول الباحثون كفاءة نظامهم، مع التأكد من أن البصمة الكمومية أصغر من البيانات التي تمثلها. لقد أثبتوا أنه بالنسبة لأحجام المدخلات التي تبلغ 32 بت أو أكثر، فإن عدد الجسيمات الكمومية المطللة لتخزين الهاش هو أقل بصرامة من عدد البتات في الرسالة الأصلية. هذا الضغط حيوي ليكون النظام مفيدًا في التطبيقات الواقعية. وتخلص الورقة البحثية إلى أن هذا البناء الجديد ليس مجرد إمكانية نظرية، بل هو حل عملي يمكن تنفيذه فورًا على الأجهزة الحالية. ومن خلال الاستفادة من الحالات المستخدمة بالفعل في بروتوكولات الاتصال الآمن، نجح المؤلفون في سد الفجوة بين التشفير الكمومي النظري والأجهزة الموجودة حاليًا في المختبرات والشبكات التجارية، مما يوفر مسارًا لـ "هاش" كمومي آمن دون انتظار الجيل القادم من التكنولوجيا.