A Novel Steganography Scheme Using Quantum Hilbert Transform

सुरक्षित संचार की शांत दुनिया में, स्टेगनोग्राफी नामक एक तकनीक मौजूद है, जो किसी साधारण दिखने वाली चीज़ के भीतर एक गुप्त संदेश छिपाने की कला है। एन्क्रिप्शन के विपरीत, जो एक संदेश को इस तरह से उलझा देता है कि वह किसी भी बीच में रोकने वाले के लिए निरर्थक लगे, स्टेगनोग्राफी यह सुनिश्चित करती है कि संदेश अदृश्य रहे क्योंकि वाहक स्वयं एक सामान्य, रोज़मर्रा का प्रसारण प्रतीत होता है। दशकों से, इसे डिजिटल छवियों, ऑडियो फ़ाइलों और टेक्स्ट के साथ अभ्यास किया जाता रहा है, जहाँ डेटा को छिपाने के लिए सूक्ष्म, न दिखने वाले परिवर्तन किए जाते हैं। अब, जैसे-जैसे दुनिया एक ऐसे भविष्य की ओर बढ़ रही है जहाँ सूचना क्वांटम भौतिकी के अजीब नियमों का उपयोग करके यात्रा करती है, शोधकर्ता एक नया प्रश्न पूछ रहे हैं: क्या हम बिना किसी के ध्यान में आए क्वांटम संकेतों के भीतर रहस्य छिपा सकते हैं? यहाँ चुनौती अद्वितीय है। क्वांटम प्रणालियाँ अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं; उन्हें मापने या बदलने का कोई भी प्रयास आमतौर पर एक निशान छोड़ देता है या सिग्नल को पूरी तरह से तोड़ देता है। संदेश छिपाने के लिए, व्यक्ति को ऐसा सूक्ष्म परिवर्तन करना चाहिए जो सिग्नल को इतना विचलित न करे कि उसे किसी पहरेदार द्वारा पकड़ा जा सके, फिर भी इतना मजबूत बना रहे कि इच्छित प्राप्तकर्ता उसे ढूंढ सके।

केनेसा स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक गणितीय उपकरण जिसे हिल्बर्ट ट्रांसफॉर्म (Hilbert transform) कहा जाता है, का उपयोग करके क्वांटम अवस्थाओं के भीतर सूचना छिपाने के लिए एक नई विधि विकसित करके इस प्रश्न का उत्तर देने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। मानक कंप्यूटरों की शास्त्रीय दुनिया में, हिल्बर्ट ट्रांसफॉर्म एक प्रसिद्ध तकनीक है जिसका उपयोग सिग्नल के विभिन्न हिस्सों के समय, या फेज़ (phase), को बदलने के लिए किया जाता है। एक ध्वनि तरंग की कल्पना करें जहाँ चोटियों और घाटियों को एक नया ध्वनि संस्करण बनाने के लिए थोड़ा सा स्थानांतरित किया जाता है; हिल्बर्ट ट्रांसफॉर्म सिग्नल का विश्लेषण करने में मदद करने के लिए गणितीय रूप से ऐसा करता है। हालाँकि, आप इस शास्त्रीय उपकरण को सीधे क्वांटम दुनिया में कॉपी नहीं कर सकते। क्वांटम प्रणालियाँ सख्त नियमों का पालन करती हैं जिनके लिए प्रत्येक ऑपरेशन का प्रतिवर्ती (reversible) होना और सूचना की कुल मात्रा को संरक्षित करना आवश्यक है, जिसे युनिटैरिटी (unitarity) नामक गुण कहा जाता है। हिल्बर्ट ट्रांसफॉर्म का शास्त्रीय संस्करण अक्सर सिग्नल के कुछ हिस्सों को हटा देता है, जो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को तोड़ देगा।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नया, परिमित-आयामी (finite-dimensional) संस्करण डिज़ाइन किया जो विशेष रूप रूप से क्वांटम प्रणालियों के लिए काम करता है। उन्होंने एक ऐसी प्रक्रिया बनाई जो एक क्वांटम अवस्था को लेती है, उसके आंतरिक फेज़ को उसके आवृत्ति घटकों के आधार पर एक विशिष्ट तरीके से बदलती है, और फिर उसे उसके मूल रूप में वापस लाती है, और यह सब सुनिश्चित करते हुए कि कोई भी जानकारी नष्ट न हो और ऑपरेशन गणितीय रूप से पूर्ण बना रहे। यह नया "क्वांटम हिल्बर्ट ट्रांसफॉर्म" एक सटीक डायल की तरह कार्य करता है जो सिग्नल के समग्र आकार या शक्ति को बदले बिना उसे थोड़ा बाईं या दाईं ओर धकेल सकता है। शोधकर्ताओं ने फिर इस उपकरण का उपयोग करके एक स्टेगनोग्राफी प्रोटोकॉल बनाने के लिए किया। उनके इस योजना में, एक प्रेषक, जिसे वे एलिस (Alice) कहते हैं, एक गुप्त बाइनरी संदेश—शून्य और एक—भेजना चाहती है। एलिस एक वैध क्वांटम सिग्नल लेती है जो सामान्य नेटवर्क ट्रैफ़िक का हिस्सा है और अपने नए ट्रांसफॉर्म का उपयोग करके एक छोटा, नियंत्रित धक्का लगाती है। यदि छिपा हुआ बिट शून्य है, तो वह सिग्नल को एक दिशा में धकेलती है; यदि यह एक है, तो वह इसे विपरीत दिशा में धकेलती है। ये धक्के इतने छोटे होते हैं कि सिग्नल अभी भी मूल, निर्दोष संदेश जैसा दिखता है और व्यवहार करता है।

प्राप्तकर्ता, बॉब (Bob), जो मूल सिग्नल और उपयोग की गई विधि को जानता है, फिर पता लगा सकता है कि धक्का किस दिशा में गया था। चूंकि धक्के बहुत हल्के होते हैं, इसलिए एक एकल सिग्नल निश्चितता के साथ अंतर बताने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकता है। इससे निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने गुप्त संदेश को कई सिग्नलों के एक ब्लॉक में फैलाने का प्रस्ताव दिया। बॉब ब्लॉक के भीतर प्रत्येक सिग्नल में धक्के की दिशा को देखता है और वोट लेता है। यदि अधिकांश सिग्नल एक दिशा में धकेले गए थे, तो वह जानता है कि छिपा हुआ बिट शून्य है; यदि अधिकांश विपरीत दिशा में धकेले गए थे, तो वह जानता है कि यह एक है। इसे और अधिक प्रभावी बनाने के लिए, उन्होंने एक रैंडमाइजेशन (randomizing) चरण भी पेश किया जो एक पैटर्न में धक्कों की दिशा को उलट देता है जिसे केवल एलिस और बॉब जानते हैं। यह रैंडमाइजेशन यह सुनिश्चित करता है कि यदि कोई तीसरा पक्ष, एक "वॉर्डन" (warden) जो नेटवर्क की निगरानी कर रहा है, सिग्नलों में पैटर्न खोजने की कोशिश करता है, तो सांख्यिकीय सुराग गायब हो जाते हैं, जिससे छिपा हुआ संदेश बहुत कठिन हो जाता है।

टीम ने इस विचार का परीक्षण विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से किया कि यह व्यवहार में कितनी अच्छी तरह काम करेगा। उन्होंने पाया कि यह विधि गोपनीयता की आवश्यकता और विश्वसनीयता की आवश्यकता के बीच संतुलन बनाने में अत्यधिक प्रभावी है। जब शोधकर्ताओं ने धक्कों को मजबूत बनाया, तो बॉब बहुत कम त्रुटियों के साथ संदेश को पुनः प्राप्त कर सका, लेकिन इससे एक वॉर्डन के लिए यह देखना भी थोड़ा आसान हो गया कि कुछ असामान्य हो रहा है। इसके विपरीत, जब धक्कों को पता लगाने से बचने के लिए अत्यंत कमजोर बनाया गया, तो बॉब की संदेश पढ़ने की क्षमता गिर गई, जिसके लिए उन्हें सही उत्तर प्राप्त करने के लिए प्रत्येक ब्लॉक में अधिक सिग्नलों का उपयोग करना पड़ा। सिमुलेशन ने दिखाया कि कई सिग्नलों में संदेश फैलाने और रैंडमाइजेशन चरण जोड़ने के संयोजन का उपयोग करके, वे सूचना को इतनी प्रभावी ढंगता से छिपा सकते थे कि सामान्य सिग्नलों और छिपे हुए सिग्नलों के बीच का सांख्यिकीय अंतर लगभग अदृश्य हो गया, यहाँ तक कि एक परिष्कृत पर्यवेक्षक के लिए भी।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि यह प्रणाली शोर वाले वातावरण में कैसे टिकेगी, जो क्वांटम संचार के लिए एक सामान्य वास्तविकता है। उन्होंने एक प्रकार के शोर का अनुकरण किया जो सिग्नलों को बेतरतीब ढंग से बिखेर देता है, जो रेडियो पर स्टैटिक (static) की तरह है। जैसे-जैसे शोर बढ़ा, बॉब के लिए गुप्त संदेश को अलग करना कठिन होता गया, और त्रुटि दर बढ़ गई। हालाँकि, सिस्टम शोर के एक रेंज के लिए मजबूत रहा, विशेष रूप से जब धक्के पर्याप्त मजबूत थे। महत्वपूर्ण रूप से, सिमुलेशन ने पुष्टि की कि रैंडमाइजेशन चरण ने सफलतापूर्वक उन प्रथम-क्रम (first-order) के सुरागों को मिटा दिया जिन्हें एक वॉर्डन देख सकता था, जिससे केवल एक बहुत ही हल्का, द्वितीय-क्रम (second-order) का निशान बचा, जो सामान्य बैकग्राउंड शोर से अलग करना अत्यंत कठिन है। यह सुझाव देता है कि यह विधि वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में काम कर सकती है जहाँ क्वांटम नेटवर्क का उपयोग बिजली ग्रिड जैसे महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे के प्रबंधन के लिए किया जाता है, जहाँ नियंत्रक डेटा के निरंतर प्रवाह को भेजते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ केवल संदेश छिपाने से परे हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इसी तकनीक का उपयोग भविष्य के क्वांटम नेटवर्क की कमजोरियों को समझने के लिए किया जा सकता है। यदि कोई दुर्भावनापूर्ण अभिनेता क्वांटम-संवर्धित नेटवर्क के एक नोड से समझौता करता है, तो वे इस पद्धति का उपयोग करके संवेदनशील जानकारी लीक कर सकते हैं, बिना नेटवर्क के सुरक्षा प्रोटोकॉल को तोड़े या अलार्म बजाए। हमलावर बस नियमित डेटा पैकेटों में छोटे, संरचित परिवर्तन शामिल करेगा, जिससे एक गुप्त चैनल बन जाएगा जो मानक निगरानी उपकरणों की नजरों के नीचे काम करता है। इस तरह के छिपे हुए चैनलों के काम करने के तरीके का अध्ययन करके, नेटवर्क डिजाइनर बेहतर ढंग से समझ सकते हैं कि कमजोर बिंदु कहाँ हैं और मजबूत रक्षा विकसित कर सकते हैं। पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह एक सैद्धांतिक और सिम्युलेटेड प्रदर्शन है, यह एक ठोस ढांचा प्रदान करता है कि कैसे फेज़-आधारित सूचना छिपाना क्वांटम युग में कार्य कर सकता है, जो संचार प्रणालियों की अगली पीढ़ी में सुरक्षा और संभावित जोखिमों दोनों के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है।