क्वांटम क्रिप्टोग्राफी की शांत, उच्च-दांव वाली दुनिया में, वैज्ञानिक ऐसे ताले बनाने की कोशिश कर रहे हैं जिन्हें चुराया न जा सके, यहाँ तक कि एक ऐसे कंप्यूटर द्वारा भी जो क्वांटम यांत्रिकी के अजीब नियमों का उपयोग करता है। दशकों से, सभी सुरक्षित संचार की नींव "वन-वे फंक्शन" (एक-तरफ़ा फलन) रही है, जो एक गणितीय ताला है जिसे बंद करना आसान है लेकिन बिना किसी विशिष्ट कुंजी के खोलना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। हालाँकि, 'माइक्रोक्रेप्ट' (Microcrypt) नामक एक नया क्षेत्र उभरा है, जो एक सैद्धांतिक क्षेत्र है जहाँ शोधकर्ता उम्मीद करते हैं कि वे सुरक्षित क्वांटम सिस्टम बना सकेंगे, भले ही वे पारंपरिक वन-वे लॉक मौजूद न हों। लक्ष्य नए, कमजोर अनुमानों को खोजना है जो फिर भी रहस्यों की रक्षा करने के लिए पर्याप्त मजबूत हों। इसे करने के लिए, उन्होंने नए प्रकार की डिजिटल वस्तुओं का प्रस्ताव दिया है, जैसे कि "स्यूडो रैंडम स्टेट्स" (छद्म यादृच्छिक अवस्थाएँ) और "स्यूडो रैंडम यूनिटरीज" (छद्म यादृच्छिक यूनिटरी), जिन्हें ऐसा दिखने के लिए डिज़ाइन किया गया है कि वे उस व्यक्ति के लिए यादृच्छिक शोर (रैंडम नॉइज़) की तरह हैं जिसके पास गुप्त कुंजी नहीं है, लेकिन वास्तव में वे एक विशिष्ट, छिपी हुई प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न किए गए हैं। बड़ा सवाल यह था कि क्या ये नई वस्तुएं पुराने, मजबूत तालों पर निर्भर किए बिना वास्तव में अस्तित्व में रह सकती हैं, या क्या वे गुप्त रूप से उन्हीं पर निर्भर हैं।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा, इलिनोइस विश्वविद्यालय और एनटीटी रिसर्च के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब कई प्रमुख उम्मीदवारों के लिए इस प्रश्न का निर्णायक "नहीं" के साथ उत्तर दिया है। उन्होंने इन क्वांटम वस्तुओं का विश्लेषण करने के लिए एक नई विधि विकसित की है और सिद्ध किया है कि कई लोकप्रिय डिज़ाइन, जिन्हें बिना पारंपरिक वन-वे फंक्शन्स के भी सुरक्षित माना जाता था, वास्तव में एक विशिष्ट प्रकार के शक्तिशाली विरोधी के सामने विफल हो जाते हैं। उनका काम दिखाता है कि यदि आप इन क्वांटम तालों को कुछ सामान्य वास्तुशिल्प ब्लूप्रिंट का उपयोग करके बनाने की कोशिश करते हैं, तो आप अनजाने में एक पारंपरिक वन-वे फंक्शन ही बना देते हैं। इसका अर्थ है कि कमजोर नींव पर क्वांटम क्रिप्टोग्राफी बनाने का वादा पहले की तुलना में अधिक कठिन है, और कई वर्तमान पसंदीदा डिज़ाइन इसका समाधान नहीं हैं।

शोधकर्ताओं की यह सफलता एक तकनीक से आती है जिसे वे "शैडो टोमोग्राफी" (छाया टोमोग्राफी) कहते हैं, जो एक क्वांटम अवस्था को लेने और उसका एक संक्षिप्त शास्त्रीय रिकॉर्ड बनाने का एक तरीका है। कल्पना कीजिए कि आप एक जटिल, अदृश्य वस्तु के आकार को समझने की कोशिश कर रहे हैं, विभिन्न कोणों से उस पर प्रकाश डाल रहे हैं और उससे पड़ने वाली छायाओं को रिकॉर्ड कर रहे हैं। क्वांटम दुनिया में, इस प्रक्रिया में एक क्वांटम अवस्था की प्रतियों को मापना शामिल है ताकि उसकी संरचना के बारे में जानकारी एकत्र की जा सके। टीम ने महसूस किया कि प्रस्तावित क्वांटो अवस्थाओं के एक बड़े वर्ग के लिए, छायाओं से प्राप्त जानकारी इतनी संरचित होती है कि एक कंप्यूटर, जिसके पास एक विशिष्ट प्रकार का तार्किक सहायक—एक "एनपी ओरेकल" (NP oracle)—की पहुँच हो, वह गुप्त कुंजी को रिवर्स-इंजीनियर करने के लिए इसका उपयोग कर सकता है। एनपी ओरेकल एक सैद्धांतिक उपकरण है जो कुछ प्रकार के जटिल खोज समस्याओं को तुरंत हल कर सकता है, जो एक सुपर-इंटेलिजेंट सहायक की तरह कार्य करता है जो यह जांच सकता है कि क्या कोई समाधान मौजूद है बिना हर एक संभावना को एक-एक करके आज़माए।

शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि कई प्रस्तावित क्वांटम अवस्थाओं के लिए, इस सहायक के लिए गुप्त कुंजी को खोजना एक सरल खोज कार्य बन जाता है। उन्होंने दिखाया कि यदि क्वांटम अवस्था "कंप्यूटेबल" (गणनीय) है, जिसका अर्थ है कि इसके आंतरिक नंबर एक मानक कंप्यूटर द्वारा गणना किए जा सकते हैं, तो इस तार्किक सहायक वाले विरोधी के लिए कुंजी को कुशलतापूर्वक समझना संभव है। यह प्रभावी रूप से सिस्टम की सुरक्षा को तोड़ देता है। टीम ने इस पद्धति को "हैमिल्टोनियन फेज स्टेट्स" (Hamiltonian Phase States) नामक एक प्रमुख उम्मीदवार पर लागू किया, जिसे व्यापक रूप से वन-वा-फंक्शन्स के बिना क्रिप्टोग्राफी के लिए एक सुरक्षित निर्माण खंड माना जाता था। उनके विश्लेषण ने सिद्ध किया कि ये अवस्थाएँ सुरक्षित नहीं हैं; यदि वे अस्तित्व में हैं, तो वे एक पारंपरिक वन-वे फंक्शन के अस्तित्व का संकेत देती हैं। यह परिणाम इस उम्मीद को ध्वस्त कर देता है कि यह विशिष्ट डिज़ाइन मजबूत धारणाओं की आवश्यकता को दरकिनार कर सकता है।

यह जांच केवल अवस्थाओं तक ही सीमित नहीं रही। शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान "स्यूडो रैंडम यूनिटरीज" की ओर भी आकर्षित किया, जो अधिक जटिल क्वांटम ऑपरेशन्स हैं जो डेटा को इस तरह से रूपांतरित करते हैं जो यादृच्छिक दिखता है। इन्हें माइक्रोक्रेप्ट टूलकिट के सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक माना जाता है। टीम ने इन यूनिटरीज के लिए उपयोग किए जाने वाले एक सामान्य वास्तुशिल्प पैटर्न की पहचान की है: एक ऐसी संरचना जहाँ एक सरल, अनुमानित परत को दो "क्लिफोर्ड" (Clifford) ऑपरेशन्स की परतों के बीच सैंडविच किया जाता है, जो कि क्वांटम गेट्स का एक विशिष्ट प्रकार है। उन्होंने पाया कि यह विशिष्ट व्यवस्था, जिसे सीएमसी (CMC) निर्माण कहा जाता है, एक विशिष्ट फिंगरप्रिंट छोड़ती है। कणों के उलझे हुए जोड़ों (entangled pairs) का उपयोग करने वाले एक विशेष प्रकार के माप के माध्यम से, वे मध्य परत के भीतर छिपे हुए परम्यूटेशन (क्रमपरिवर्तन) के बारे में शास्त्रीय सुराग निकाल सकते हैं। इस तार्किक सहायक की मदद से, वे उस कुंजी की खोज कर सकते हैं जो सभी देखे गए सुरागों की व्याख्या करती है। यदि यूनिटरी वास्तव में यादृच्छिक होती, तो कोई भी एकल कुंजी सभी सुरागों की व्याख्या नहीं कर पाती। लेकिन यदि यह इस विशिष्ट वास्तुकला का उपयोग करके बनाई गई थी, तो सही कुंजी हमेशा सुरागों के साथ पूरी तरह फिट बैठती।

यह खोज बताती है कि सुरक्षित क्वांटम यूनिटरीज के हालिया प्रस्तावों की एक विस्तृत श्रृंखला, जिनमें से कुछ को स्पष्ट रूप से वन-वे फंक्शन्स से बचने के लिए डिज़ाइन किया गया था, वास्तव में असुरक्षित हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इन डिज़ाइनों को वास्तविक यादृच्छिकता से अलग किया जा सकता है और उनकी गुप्त कुंजियों को पुनः प्राप्त किया जा सकता है। उन्होंने "पीएफसी" (PFC - Permutation-Function-Clifford) संरचनाओं और विभिन्न "एलआरएफसी" (LRFC - Luby-Rackoff-Function-Clifford) डिज़ाइनों पर आधारित कई प्रसिद्ध निर्माणों के विरुद्ध अपने परीक्षण किए। प्रत्येक मामले में जहाँ मध्य परत एक सरल परम्यूटेशन या फेज शिफ्ट थी, हमला सफल रहा। टीम ने सिद्ध किया कि ये आर्किटेक्चर माइक्रोक्रेप्ट का आधार नहीं हो सकते क्योंकि वे अनिवार्य रूप से वापस वन-वे फंक्शन्स के अस्तित्व की ओर ले जाते हैं, जो कमजोर धारणाओं पर क्रिप्टोग्राफी बनाने के उद्देश्य को विफल कर देता है।

हालाँकि, यह शोध पत्र माइक्रोक्रेप्ट के दरवाजे पूरी तरह से बंद नहीं करता है। शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक उन डिज़ाइनों का मानचित्रण किया जो उनके हमले में जीवित रहे और जो नहीं रहे। उन्होंने पाया कि मिश्रण की कई, ओवरलैपिंग परतों वाले निर्माण या वे जो एंडपॉइंट्स में गुप्त, गैर-क्लिफोर्ड ऑपरेशन्स का उपयोग करते हैं, अभी भी सुरक्षित हो सकते हैं। ये जीवित बचे हुए उम्मीदवार भविष्य के अनुसंधान के केंद्र में हैं। यह कार्य एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शक, या सुरक्षा घेरे (guardrails) के रूप में कार्य करता है। यह वैज्ञानिकों को बताता है कि क्या नहीं बनाना है, जिससे उन्हें उन ब्लूप्रिंट्स पर समय बर्बाद करने से रोका जा सके जो मौलिक रूप से त्रुटिपूर्ण हैं। इन सामान्य दृष्टिकोणों को खारिज करके, शोधकर्ताओं ने समुदाय को उन मौलिक रूप से भिन्न आर्किटेक्चर की तलाश करने के लिए मजबूर किया है जो अनजाने में वन-वे फंक्शन्स नहीं बनाते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ क्वांटम सुरक्षा के भविष्य के लिए अत्यंत गहरे हैं। यह स्पष्ट करता है कि वन-वे फंक्शन्स के बिना क्वांटम क्रिप्टोग्राफी बनाने का मार्ग पहले की तुलना में अधिक संकीर्ण और अधिक कठिन है। शोधकर्ताओं ने नए प्रस्तावों का परीक्षण करने के लिए एक कठोर विधि प्रदान की है, यह सुनिश्चित करते हुए कि भविष्य के डिज़ाइन न केवल सैद्धांतिक रूप से दिलचस्प हों बल्कि सबसे शक्तिशाली ज्ञात हमलों के विरुद्ध वास्तव में सुरक्षित भी हों। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि यदि माइक्रोक्रेप्ट को साकार किया जाना है, तो इसके लिए क्वांटम ऑपरेशन्स के बारे में पूरी तरह से नए तरीकों से सोचने की आवश्यकता होगी, जो उन परिचित पैटर्न से दूर हटकर होगा जिन्होंने अब तक इस क्षेत्र में प्रभुत्व जमाया है। यह कार्य व्यवस्थित विश्लेषण की शक्ति के प्रमाण के रूप में खड़ा है, जहाँ यह सिद्ध करना कि क्या काम नहीं करता है, उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि यह खोजना कि क्या काम करता है।