Electromagnetic Side-Channel Vulnerability in QKD Equipment

في العالم الحديث، تعتمد أمن أكثر بياناتنا حساسية على علم التشفير، وهو مجال تستخدم فيه الألغاز الرياضية لحماية كل شيء، من الحسابات المصرفية إلى الأسرار الوطنية. لعقود من الزمن، استندت هذه الحماية إلى افتراض أن كسر هذه الشفرات سيستغرق من الحاسوب وقتاً أطول من عمر الكون لحله. ومع ذلك، مع نمو القدرة الحوسبية، أصبح هذا الافتراض محفوفاً بالمخاطر. ولمواجهة ذلك، طور العلماء طريقة تسمى "توزيع المفاتيح الكمومية". تستخدم هذه التقنية القوانين الأساسية للفيزياء بدلاً من التعقيد الرياضي لإنشاء شفرة سرية بين شخصين. وإذا حاول أي شخص التنصت على العملية، فإن قوانين الفيزياء نفسها تغير الإشارة، مما ينبه المستخدمين إلى تعرض خصوصيتهم للاختراق. وقد أدى هذا الوعد بـ "الأمان غير المشروط" إلى إنشاء شبكات تجريبية مصممة لمشاركة هذه المفاتيح غير القابلة للكسر.

ومع ذلك، يظل هناك سؤال جوهري: هل يصمد وعد الفيزياء عندما يتم تشغيل المعدات في غرفة حقيقية؟ فبينما يكون البروتوكول الرياضي آمناً، فإن الآلات الفيزيائية التي تولد وترسل المفاتيح مصنوعة من أسلاك ودوائر ومكونات إلكترونية. ومثل أي جهاز إلكتروني، تسرب هذه الآلات حتماً كميات ضئيلة من الطاقة في شكل موجات كهرومغناطيسية، وهي نفس التموجات غير المرئية التي تحمل إشارات الراديو والتلفزيون. وإذا سربت الآلة معلومات حول المفتاح السري الذي تنشئه، فقد يتمكن المهاجم من الاستماع إلى هذه الموجات من مسافة بعيدة وإعادة بناء السر دون لمس الجهاز أبداً. يُعرف هذا باسم "هجوم القناة الجانبية"، وهو يستهدف الواقع الفيزيائي للأجهزة بدلاً من المثالية النظرية للكود.

لقد سعى فريق من الباحثين مؤخراً للتحقق مما إذا كان هذا النوع المحدد من الثغرات موجوداً في الأجهزة المصممة للشبكات الكمومية. ركزوا على نموذج أولي لجهاز يولد مفاتيح كمومية باستخدام طريقة قياسية تُعرف باسم بروتوكول (BB84). ينشئ هذا الجهاز بتات معلومات سرية عن طريق إرسال نبضات ضوئية في أنماط محددة. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت الإشارات الكهربائية التي تحرك هذه النبضات الضوئية تسرب معلومات كافية يمكن اكتشافها من خارج غلاف الجهاز. ولمعرفة ذلك، وضعوا الجهاز داخل غرفة خاصة مصممة لمنع التداخل الخارجي، تُعرف باسم "الغرفة اللاهضوية" (anechoic chamber). ثم استخدموا هوائيات حساسة للاستماع إلى الانبعاثات الكهرومغناطيسية على مسافات صفر متر وثلاثة أمتار من الجهاز، أولاً مع فتح الرف المعد الوقائي للجهاز ثم مع إغلاقه.

كانت النتائج واضحة: كان الجهاز يسرب المعلومات بالفعل. وجد الباحثون أن جهاز الإرسال، وهو الجزء من الجهاز الذي يرسل الضوء، كان المصدر الرئيسي لهذه التسريبات. وعندما قاسوا الإشارات، اكتشفوا أن الموجات الكهرومغناطيسية تتغير اعتماداً على الحالة السرية التي يولدها الجهاز في تلك اللحظة. وتحديداً، اختلفت الإشارات بناءً على نوع "الأساس" (basis) الذي يستخدمه الجهاز لتشفير البيانات، بل وحتى قيمة البت المحددة، صفر أو واحد، تركت بصمة متميزة على الموجات. وكانت الاختلافات الأكثر وضوحاً تظهر عند ترددات محددة مرتبطة بالساعة الداخلية للجهاز، والتي تعمل بتردد 1241.6 ميجاهرتز. وعند التوافق الثالث لسرعة هذه الساعة، تمكن الباحثون بوضوح من التمييز بين الحالات السرية المختلفة التي ينتجها الجهاز.

لم يكن هذا التسريب مجرد احتمال نظري؛ بل كان قابلاً للقياس ومتسقاً. لاحظ الباحثون أن إشارات أحد أنواع أساسات البيانات كانت أقوى من الآخر، وأن شكل الموجة يتغير اعتماداً على ما إذا كان الجهاز يرسل صفراً أو واحداً. ولاختبار مدى خطورة ذلك، استخدموا نماذج حاسوبية لتحليل أشكال الموجات الملتقطة. وأظهر التحليل أنه من الممكن تخمين حالة الجهاز بدقة عالية، حيث تم تحديد الحالة السرية بشكل صحيح في أكثر من 70 بالمائة من الحالات. وهذا يشير إلى أن مهاجماً ماهراً، مجهزاً بالمعدات والبرمجيات المناسبة، يمكنه تقنياً التنصت على عملية توليد المفتاح السري بمجرد الاستماع إلى الضوضاء الكهرومغناطيسية المنبعثة من الجهاز، دون الحاجة أبداً إلى اقتحام المبنى أو العبث بالأجهزة.

ومع ذلك، قدمت الدراسة أيضاً حلاً عملياً لهذه المشكلة. فقد اختبر الباحثون فعالية رف معدني بسيط مصمم لحماية الجهاز من الموجات الكهرومغناطيسية. وعندما أغلقوا باب هذا الرف المحمي، انخفضت كمية الإشارة المتسربة بشكل كبير. وبينما ظل تردد الساعة نفسه قابلاً للاكتشاف، فإن الإشارات الأخرى التي تحمل التفاصيل المحددة للحالات السرية قد تم كبحها إلى مستويات منخفضة جداً لدرجة أنها أصبحت غير مرئية فعلياً. لقد قلل هذا الدرع من قوة هذه الإشارات المسربة بمتوسط 21.2 ديسيبل، مما دفع المعلومات الخطيرة إلى ما دون عتبة الكشف. وقد أثبت هذا أن الثغرة، رغم كونها حقيقية، إلا أنها قابلة للإدارة. فمن خلال وضع المعدات داخل درع مناسب وتصميم الدوائر الداخلية لتكون أكثر تماثلاً، يمكن تقليل خطر هذا النوع من الهجمات بشكل كبير.

تعد نتائج هذه الدراسة بمثابة تذكير حيوي بأن أمن الشبكة الكمومية لا يعتمد فقط على قوانين الفيزياء، بل يعتمد أيضاً على هندسة الأجهزة التي تستخدمها. فبينما يضمن البروتوكول الرياضي عدم سرقة المفتاح أثناء النقل، يجب حماية الأجهزة الفيزيائية من تسريب المعلومات من خلال انبعاثاتها الخاصة. وخلص الباحثون إلى أنه مع اتخاذ التدابير المضادة المناسبة، مثل الحجب الكهرومغناطيسي وتصميم الدوائر بعناية، فمن الممكن بناء عقد موثوقة للشبكات الكمومية تكون آمنة ضد هجمات القنوات الجانبية هذه. ويوفر هذا العمل مساراً واضحاً للمضي قدماً في وضع معايير السلامة، لضمان عدم تقويض وعد الأمن الكمومي بواسطة الآلات التي بُنيت لتقديمه.