Higher-dimensional quantum eraser cryptography beyond the binary encoding

تعتمد الاتصالات الآمنة في العصر الرقمي غالباً على القواعد الغريبة لميكانيكا الكم، وهو مجال يمكن فيه لفعل النظر إلى شيء ما أن يغيره بشكل جوهري. أحد هذه التطبيقات هو توزيع المفاتيح الكمومية، وهي طريقة تتيح لشخصين إنشاء رمز سري يستحيل نظرياً سرقته دون ترك أثر. يستخدم أحد الأساليب المحددة لهذا الغرض، والمعروف باسم "تشفير الممحاة الكمومية"، خدعة ذكية تتضمن موجات الضوء. تخيل إرسال جسيم واحد من الضوء، يسمى فوتوناً، عبر جهاز يقسم مساره إلى احتمالين. إذا ظل المساران متطابقين، يمكنهما الاندماج مجدداً لتشكيل نمط تداخل، مثل التموجات على سطح بركة تعزز بعضها البعض. ومع ذلك، إذا قام شيء ما بتمييز المسار — أي أخبرك بالضبط أي طريق سلكه الفوتون — فإن هذا النمط يختفي. في هذا المخطط التشفيري، يستخدم المرسل والمستقبل الاستقطاب، وهو اتجاه اهتزاز الضوء، لإخفاء أو كشف معلومات المسار هذا. عندما تتطابق إعداداتهما، يتم محو معلومات المسار، ويعود التداخل، ويتم توليد بت (bit) من البيانات السرية. وعندما تختلف إعداداتهما، يُعرف المسار، ويختفي التداخل، ولا يتم إنشاء أي بيانات. تسمح هذه العملية لهما بغربلة مفتاح سري دون الحاجة إلى مقارنة إعداداتهما علناً، مما يعد ميزة كبيرة مقارنة بالطرق القديمة.

لسنوات، اعتمدت هذه الأنظمة على نهج ثنائي، باستخدام حالتين مختلفتين فقط من استقطاب الضوء لتمثيل المعلومات. ورغم أناقة هذه الطريقة الثنائية، إلا أنها تنطوي على نقطة ضعف خفية؛ فبسبب عدم كون الحالتين المستخدمتين متمايزتين تماماً، يمكن للمتنصت الماهر قياس الضوء بدقة عالية، وتخمين الحالة الصحيحة بنسبة تقارب 85 بالمائة دون أن يتم اكتشافه. وهذا يترك فجوة كبيرة في الأمن، حيث يمكن للمتسلل تعلم معظم الرسالة السرية بينما يظل المستخدمون الشرعيون غير مدركين لذلك. تساءل الباحثون في هذه الدراسة عما إذا كان يمكن إصلاح هذه الثغرة من خلال الانتقال لما هو أبعد من الأنظمة الثنائية البسيطة. واقترحوا تصميماً جديداً يستخدم ثلاث حالات استقطاب متميزة مرتبة بشكل متماثل، مقترنة باستراتيجية إرسال مجموعات من الفوتونات بترتيب عشوائي. ومن خلال توسيع "أبجدية" الضوء من حرفين إلى ثلاثة وحرف ترتيب وصولها، هدفوا إلى جعل مهمة المتنصت أصعب بكثير.

قام الفريق، بقيادة باحثين من مؤسسات في المملكة العربية السعودية والصين، بتطوير بروتوكول يقوم فيه المرسل بإعداد ثلاثة فوتونات، لكل منها زاوية استقطاب مختلفة تفصل بينها 120 درجة. والأهم من ذلك، أن المرسل يرسل هذه الفوتونات الثلاثة في تسلسل عشوائي لا يعرفه سوى هو. ويقوم المستقبل بقياس الفوتونات الثلاثة جميعها باستخدام أحد الإعدادات الثلاثة الممكنة، والتي تُختار أيضاً بشكل عشوائي. تم تصميم النظام بحيث إذا تطابق إعداد المستقبل مع إعداد المرسل لفوتون معين، فسوف يتصرف ذلك الفوتون بطريقة يمكن التنبؤ بها، بينما ستتصرف الفوتونات الأخرى بطريقة مختلفة. ومن خلال النظر في نمط النتائج عبر الفوتونات الثلاثة، يمكن للمرسل والمستقبل استنتاج الإعداد الذي استخدمه المستقبل وتوليد مفتاح سري، كل ذلك دون الكشف عن خياراتهما لأي طرف خارعي. إن عشوائية الترتيب وتماثل الحالات الثلاث يخلقان طبقة من الارتباك لا يمكن للنظام الثنائي توفيرها ببساطة.

عندما حلل الباحثون أمن هذا النظام الثلاثي الجديد، وجدوا تحسناً هائلاً. فقد حسبوا أقصى احتمال يمكن للمتنصت من خلاله اعتراض مجموعة الفوتونات الثلاثة، ومعرفة الترتيب السري، ثم إعادة إرسال نسخة مثالية للمستقبل دون أن يُكشف أمره. في النظام الثنائي القديم، كانت نسبة النجاح هذه تبلغ حوالي 85 بالمائة. أما في نظام الحالات الثلاث الجديد، فقد وجد الباحثون أن أفضل فرصة للمتنصت للقيام بهذا الهجوم دون اكتشافه تنخفض إلى حوالي 54 بالمائة. وهذا يعني أن المتسلل أصبح الآن أكثر عرضة للفشل منه للنجاح، وهو تحول جوهري في ميزان القوى. كما أظهرت الدراسة أن الطريقة الجديدة أكثر كفاءة في توليد المفاتيح، حيث تنتج حوالي 0.30 بت من المعلومات السرية لكل فوتون مقارنة بـ 0.25 بت للنظام الثنائي القياسي.

لقد كان الباحثون حذرين في تحديد حدود نتائجهم؛ فهم لم يدعوا إلى حل جميع المشكلات الأمنية أو إثبات أن النظام غير قابل للكسر تحت كل سيناريوهات الهجوم الممكنة. ركز تحليلهم على نوع محدد من التهديدات حيث يقوم المتنصت بقياس كل فوتون على حدة ويحاول إعادة إرساله. وأقروا بأن الهجمات الأكثر تعقيداً التي تتضمن مجموعات من الفوتونات أو التقنيات المستقبلية قد تفرض تحديات مختلفة. ومع ذلك، ضمن نطاق نموذجهم، فإن النتائج واضحة: من خلال زيادة عدد الحالات وخلط ترتيبها، تصبح الطبيعة الفيزيائية للضوء أكثر مقاومة للنسخ. وتوضح الدراسة أن أبعاد الترميز — أي عدد الحالات المختلفة المستخدمة — هي مورد قوي؛ فهي تسمح للبروتوكول بكبح كمية المعلومات التي يمكن للمتسلل الوصول إليها على المستوى الفيزيائي، قبل حتى أن تبدأ أي عمليات معالجة حاسوبية معقدة.

يشير هذا العمل إلى اتجاه جديد لتصميم أنظمة الاتصالات الآمنة. فبدلاً من مجرد محاولة إخفاء الرسالة بشكل أفضل، أظهر الباحثون أن تغيير هندسة المعلومات نفسها يمكن أن يجعل سرقتها أصعب. يخلق نظام الحالات الثلاث موقفاً يواجه فيه المتنصت عقبتين: فعليه ليس فقط التمييز بين ثلاث حالات متشابهة من الضوء، وهو أمر صعب بطبيعته، بل يجب عليه أيضاً تخمين الترتيب الصحيح الذي أُرسلت به تلك الحالات. هذا الجمع بين عدم اليقين الكمومي والارتباك الكلاسيكي يخلق حاجزاً قوياً. وبينما يعد التحليل الحالي محاكاة نظرية للفيزياء المعنية، فإنه يوفر إطاراً شفافاً لفهم كيفية هندسة التداخل وعدم التمييز لحماية المعلومات. كما يسلط الضوء على أنه في عالم الكم، فإن الطريقة التي تُبنى بها المعلومات لا تقل أهمية عن المعلومات نفسها، مما يقدم منظوراً جديداً حول كيفية بناء مستقبل تظل فيه الأسرار سرية حقاً.