في البنية الخفية للإنترنت، يحمي نظام واسع من الأقفال والمفاتل الرقمية كل شيء، بدءاً من الحسابات المصرفية وصولاً إلى الرسائل الخاصة. لعقود من الزمن، اعتمدت هذه الأقفال على مسائل رياضية كان من السهل ابتكارها ولكن من شبه المستحيل على حتى أقوى الحواسيب حلها. ومع ذلك، توقع العلماء منذ فترة طويلة أن نوعاً جديداً من الحواسيب، يعمل وفق القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية، سيصل في نهاية المطاف. وعندما يصل، سيكون قادراً على كسر تلك الأقفال القديمة في ثوانٍ معدودة. وللاستعداد لهذا المستقبل، يقوم الباحثون الآن بنشر جيل جديد من الأقفال الرقمية القائمة على هياكل رياضية مختلفة لا تستطيع الحواسيب الكمومية كسرها بسهولة. ويتم اعتماد هذه الأنظمة الجديدة من قبل الحكومات وشركات التكنولوجيا الكبرى لتأمين الإنترنت للعقود القادمة.

تحدث اللحظة الأكثر حرجاً في نظام الأمان الجديد هذا في المرة الأولى التي يستقبل فيها الحاسوب رسالة. فقبل أن يتمكن من التحقق مما إذا كانت الرسالة حقيقية أو لفك تشفير سر ما، يجب عليه أولاً ترجمة تدفق من البيانات الخام إلى مفتاح أو توقيع قابل للاستخدام. خطوة الترجمة هذه هي "الباب الأمامي" للنظام. وإذا كان الباب مبنياً بشكل سيئ، فلن يحتاج المهاجم إلى كسر القفل؛ بل يحتاج ببساطة إلى دفع جسم ذي شكل خاطئ ضد المقبض. وإذا قبل الباب جسماً مشوهاً، فقد ينهار النظام بأكمله، أو يتوقف عن الاستجابة، أو والأسوأ من ذلك، قد يُخدع بقبول مفتاح مزيف. إن ضمان أن هذه الأباء الأمامية ترفض كل شكل سيئ محتمل هو أمر لا يقل أهمية عن جعل الأقفال نفسها غير قابقة للكسر.

ركزت دراسة حديثة أجراها الباحث المستقل أربان شارما على هذا الباب الأمامي تحديداً لأنظمة مقاومة الكم الجديدة، وتحديداً ضمن لغة البرمجة جافا (Java)، التي تشغل جزءاً هائلاً من برمجيات العالم. اختبر الباحث تنفيذين رئيسيين لهذه المعايير الجديدة: أحدهما مقدم من مكتبة أمنية واسعة الاستخدام تسمى "باونسي كاسل" (Bouncy Castle)، والآخر مدمج مباشرة في منصة جافا نفسها. لم يكن الهدف هو معرفة ما إذا كانت الرياضيات تعمل بشكل صحيح على بيانات مثالية، بل لمعرفة ما سيحدث عندما يتم تغذية البرنامج بملايين المدخلات العشوائية، والمكسورة، والمعادية. أراد الباحث معرفة ما إذا كان البرنامج سيتعامل مع هذه المدخلات السيئة بسلاسة من خلال رفضها، أم أنه سيتعثر، أو ينهار، أو يقبل خطأً خطيراً بصمت.

وللقيام بذلك، بنى الباحث آلة اختبار تعمل كأنها مهاجم آلي لا يكل. لقد ولدت الآلة 900,000 تنويع مختلف من البيانات، تتراوح بين نسخ معدلة قليلاً من المفاتيح الصالحة وبين تدفقات من البايتات غير المنطقية تماماً، وقامت بتغذية البرنامج بها. راقبت الآلة عن كثب لترى كيف سيتفاعل البرنامج. بحثت عن أي علامة على الانهيار، أو أي رسالة خطأ غير متوقعة لم يكن من المفترض أن يظهرها البرنامج، أو أي حالة يقبل فيها البرنامج مفتاحاً سيئاً كما لو كان جيداً. كانت نتائج النسخة الحالية من مكتبة "باونسي كاسل" نظيفة بشكل ملحوظ؛ فمن بين 900,000 محاولة، رفض البرنامج كل مدخل مشوه تماماً كما كان من المفترض، دون إظهار أي أخطاء غير متوقعة ودون قبول أي مفاتيح سيئة.

ومع ذلك، في الاختبارات العلمية، غالباً ما يصعب الوثوق في نتيجة تقول "لم يحدث خطأ ما". فمن الممكن أن تكون آلة الاختبار نفسها كانت خرقاء جداً بحيث لم تتمكن من إيجاد مشكلة، أو أن البرنامج كان محظوظاً فحسب. ولإثبات أن الاختبار كان قادراً بالفعل على إيجاد خلل، استخدم الباحث خدعة ذكية تسمى "الضبط الإيجابي" (positive control). حيث قام بتشغيل نفس آلة الاختبار ضد نسخة قديمة من برنامج "باونسي كاسل" كانت معروفة بوجود خلل حقيقي ومحدد. وفي ثوانٍ، وجدت الآلة العيب؛ حيث اكتشفت أن البرنامج القديم كان سيقبل مفتاحاً عاماً بالحجم الخاطئ، وهو خطأ قد يؤدي إلى انهيار لاحقاً في العملية. ولأن الآلة نجحت في إيجاد مشكلة معروفة في النسخة القديمة، فإن حقيقة أنها لم تجد شيئاً في النسخة الجديدة أصبحت تأكيداً موثوقاً على أن البرنامج الجديد قوي بالفعل.

عندما طبق الباحث هذا الاختبار الصارم نفسه على كود مقاومة الكم الجديد المدمج مباشرة في منصة جافا، كشفت النتال عن نوع مختلف من المشكلات. لم يتسبب برنامج جافا في انهيار أو قبول توقيع مزيف، وهو الأمر الأكثر خطورة، ولكن بدلاً من ذلك، أظهر اختلافاً طفيفاً في كيفية تعامله مع البيانات السيئة. كان نظام جافا يقبل مفتاحاً عاماً بأي طول، حتى لو كان المفتاح فارغاً أو قصيراً جداً، دون إطلاق إنذار عند لحظة الدخول. وكان سيتحقق من حجم المفتاح لاحقاً فقط، عندما يُستخدم المفتاح فعلياً لأداء مهمة ما. وإذا كان المفتاح صغيراً جداً، فسيقوم النظام بعد ذلك بالتوقف والإبلاغ عن خطأ. وبينما منع هذا الأمر وقوع كارثة في النهاية، إلا أنه يعني أن البرنامج احتفظ لفترة وجيزة بمفتاح مكسور، وعامله كأنه صالح لفترة قصيرة.

كان هذا السلوك متسقاً عبر ثلاث نسخ مختلفة من منصة جافا. اتخذ البرنامج نفس القرار الذي اتخذه مكتبة "باونسي كاسل" في النهاية: لقد رفض المفتاح السيئ. كان الاختلاف محض توقيت؛ فمكتبة "باونسي كاسل" تتحقق من الحجم فور استلام المفتاح وترفضه على الفور، بينما تقبل منصة جافا المفتاح أولاً، وتخزنه، ثم ترفضه عند محاولة استخدامه. هذا التمييز مهم لأنه يوضح أنه بينما كلا النظامين آمنان من الانهيارات الفورية، إلا أنهما يتعاملان مع قواعد الدخول بشكل مختلف. كما سلطت الدراسة الضوء على درس أوسع لكل من يختبر هذا النوع من البرمجيات المعقدة: أحياناً، لا يظهر الخلل إلا عندما يتفاعل جزءان مختلفان من النظام، مثل اقتران توقيع صالح مع مفتاح سيئ. فالاختبار الذي يجري للأجزاء بشكل منعزل غالباً ما يفشل في رصد هذه المخاطر الخفية.

كما كشف البحث عن عقبة خفية في عملية الاختبار نفسها. فجهاز الكمبيوتر الذي يدير الاختبارات يحتوي على ميزة مدمجة مصممة لتسريع العمليات عن طريق تبسيط رسائل الخطأ عندما يتكرر الخطأ نفسه مراراً وتكراراً. وفي اختبار ضخم يتضمن مئات الآلاف من المدخلات، تقوم هذه الميزة بحذف تفاصيل الأخطاء بصمت، مما يجعل من المستحيل على آلة الاختبار التمييز ما إذا كان الانهيار فشلاً حقيقياً وغير متوقع أم أنه مجرد مشكلة معروفة. اضطر الباحث إلى تعطيل هذه الميزة يدوياً لضمان دقة نتائج الاختبار. يشير هذا الاكتشاف إلى أنه بالنسبة لاختبارات الأمان واسعة النطرة للبرمجيات الحديثة، يمكن للإعدادات القياسية أحياناً أن تخفي المشكلات التي يحاول الباحثون العثور عليها.

في نهاية المطاف، تقدم هذه الدراسة صورة واضحة ومحققة لكيفية سلوك الأقفال الجديدة المقاومة للكم في الواقع. تبدو النسخة الحالية من مكتبة "باونسي كاسل" مرنة للغاية، حيث ترفض المدخلات السيئة فوراً وبشكل ثابت. ومنصة جافا آمنة أيضاً، رغم أنها تسلك مساراً مختلفاً قليلاً، حيث تحتفظ بالمفاتيح السيئة للحظة قبل رفضها. ومن خلال استخدام "الضبط الإيجابي" للتحقق من صحة طريقة الاختبار، ضمن الباحث أن نتيجة "عدم العثور على شيء" في البرنامج الجديد هي علامة قوة حقيقية، وليست فشلاً في الاختبار. وبينما يستعد الإنترنت للانتقال إلى معايير الأمان الجديدة هذه، فإن هذا النوع من التأكيد المفصل والمختبر تحت الضغط يعد أمراً ضرورياً لضمان أن الأبواب الجديدة مبنية لتصمد أمام عالم معادٍ.