رمزنگاری کوانتومی استفاده مکانیک کوانتومی به خصوص ارتباطات کوانتومی و محاسبات کوانتومی برای اجرای عملیات رمز نگاری و شکستن سیستمآهای رمز گذاری شده را توصیف میآکند. استفاده از رمزنگاری کلاسیک (غیر کوانتومی) برای حفاظت در برابر حمله کنندگان کوانتومی نیز به عنوان رمزنگاری کوانتومی در نظر گرفته میآشود. به این حالت رمز نگاری پست-کوانتومی میآگویند.
نمونهآهایی از رمزنگاری کوانتومی استفاده از ارتباطات کوانتومی برای رد و بدل کردن مخفیانه کلید (توزیع کلید کوانتومی) یا استفاده از رایانهآهای کوانتومی برای شکستن انواع گوناگون کلیدهای عمومی و امضاهای دیجیتال میآباشد.
رمزنگاری کوانتومی انجام عملیات گوناگون رمزگذاری را که با تبادلات کلاسیک غیر ممکن است میسر میآسازد که این یکی از مزیتآهای رمزنگاری کوانتومی است. مکانیک کوانتومی تضمین میآکند که با اندازه گیری دادهآهای کوانتومی، این اطلاعات از بین میآروند از این ویژگی میآتوان برای تشخیص مداخله دشمن در یک پیغام استفاده کرد. با این وجود، اگر یک استراق سمع کننده اختلالاتی کمتر از آنچه انتظار میآرود ایجاد کند، ممکن است اطلاعات فاش شوند.
رمزنگاری کوانتومی اولین بار توسط Stephen Wiesner در اوایل دههآی 1970 ارائه شد که مقالهآی وی در این زمینه در سال 1983 به چاپ رسید و در سال 1990 یک دانشجوی دورهآی دکتری دانشگاه oxford به نام Artur Ekert روش دیگری برای رمزنگاری کوانتومی ارائه داد. همان طور که گفتیم رمزنگاریِ کوانتومی تنها برای تولید و توزیعِ کلید استفاده میآشود و نه برای انتقال اطلاعات. این کلید در مراحل بعدی میآتواند با هر الگوریتم رمزگذاری (یا رمزگشایی) برای تبدیل پیام به رمز یا برعکس استفاده شود. برخلاف رمزنگاری کلاسیک که به دشواری انجام عملیات ریاضی به خصوصی وابسته است، نمیآتواند شنودکننده (فردی که از راهآهای غیرمجاز میآخواهد به اطلاعات دسترسی یابد) را آشکارسازی نماید و پنهان ماندن کلید را تضمین کند، رمزنگاری کوانتومی که بر پایهآی اصول مکانیک کوانتومی استوار است از بین بردن تمامی این مشکلات را وعده میآدهد.
کدهای غیرقابل شکستن
کامپیوترها در رمزنگاری پیامآهای رمزبندی شدهآای را میآفرستند که برای رمزگشایی نیاز به کلید دارند. اما تکنیکآهای رمزنگاری فعلی کاملا ایمن نیستند و با استفاه از قدرت محاسباتی کافی و صرف وقت میآتوان آنها را هک کرد.
اما در رمزنگاری کوانتومی وضع به صورت دیگری است. ایده این رمزنگاری بر اساس یکی از پیامدهای عجیب و غریب مکانیک کوانتوم است. هنگامی فوتون نور از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت میآکند، حرکت آن وضعیتی غیرقطعی دارد. یک ناظر نمیآتواند سوگیری، یا قطبیآشدن فوتون را بدون آشفتن فوتون و تغییر دادن برآمد آن دریابد.
بنابراین اگر رمزنگاری پیامی سری با یک کلید کوانتومی انجام شود که در وضعیت اولیه یک فوتون رمزبندی شده است، در این صورت هر فرد خارجی که سعی کند این پیام را تفسیر کند باعث آشفتگی این ذرات و تغییر یافتن کلید خوهد شد.
رمزنگاریِ کوانتومی تنها برایِ تولید و توزیعِ کلید استفاده میآشود و نه برای انتقالِ اطلاعات. این کلید در مراحلِ بعدی میآتواند با هر الگوریتمِ رمزگذاری (یا رمزگشایی) برایِ تبدیلِ پیام به رمز یا برعکس استفاده شود
اصول رمزنگاری کوانتومی
امواج الکترومغناطیسی (به عنوان مثال نور) میآتوانند قطبیده شوند. قطبیدگی بنا بر قرارداد با جهتِ میدان الکتریکی تعریف میآشود که در آن یا جهت نوساناتِ میدان الکتریکی ثابت است یا به شکل معینی تغییر میآکند. به این ترتیب نورِ خورشید کاملاً غیرقطبیده است زیرا جهتِ میدان در آن به شکل کاملاً تصادفی عوض میآشود. یک قطبشآگر ابزاری است که تنها اجازهآی عبورِ نور با جهت قطبیدگی خاصی را میآدهد. بنابراین اگر نور کاملا غیرآقطبیده باشد تنها نیمی از آن از قطبشآگر عبور خواهد کرد. اما بر طبق نظریه کوانتوم، امواج نور (کل امواج الکترومغناطیسی) بهآشکل ذرات گسستهآی بدون جرمی که فوتون نامیده میآشوند انتشار میآیابند. هر فوتون مقدار معینی انرژی، اندازه حرکت و اندازه حرکت زاویهآای دارد و قطبش با جهتِ اندازه حرکت زاویهآای یا اسپین آن معین میآشود. در این نظریه فوتون یا از قطبش گر رد میآشود یا نه، اما اگر رد شد جهتِ قطبشش با محورِ قطبشآگر همآخط میآشود، مستقل از این که چه قطبش اولیهآای داشته است. نظریهآهای الکترومغناطیسی و کوانتومی نور با هم یک نظریهآی نامتناقض و بدون ابهام را ایجاد میآکنند که هر یک قادر به توصیف پدیدهآهای بهآخصوصی هستند. بنابراین نور دارای خاصیت دوگانهآی ذره و موج است.
رمزنگاری کوانتومی بر پایهآی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (Heisenberg) استوار است که میآگوید جفتآهای بهآخصوصی از خواص فیزیکی یک سیستم بهآشکلی به هم مربوطند که اندازهآگیری همآزمان آنآها غیرممکن است و اندازهآگیری یکی از آنآها از اندازهآگیری کمیت دیگر بهآطور همآزمان جلوگیری میآکند. این اصل با توجه به این نکته است که اندازهآگیری یک سیستم حالت آن را تغییر میآدهد. بنابراین وقتی در اندازهآگیری قطبش فوتون جهت اندازهآگیری خاصی را انتخاب میآکنیم این انتخاب تمامی اندازهآگیریآهای بعدی را تحت تاثیر قرار میآدهد چون قطبش را عوض میآکند.
توزیع کلید کوانتومی
مسلما بهترین کاربرد شناخته شده از رمز نگاری کوانتومی توزیع کلید کوانتومی است. توزیع کلید کوانتومی فرایند استفاده از تبادل کوانتومی را برای ایجاد یک کلید مشترک میان دو نفر (که معمولا آلیس و باب نامیده میآشوند) بدون آنکه نفر سوم (ایو) هیچ اطلاعی از کلید به دست آورد را توصیف میآکند (حتی در صورتی که بتواند تمام مکالمات بین این دو نفر را شنود نماید.) برای رسیدن به این هدف آلیس قبل از فرستادن اطلاعات به باب آنآها را به بیتآهای کوانتومی تبدیل میآکند. در این حالت اگر ایو تلاش کند این بیتآها را بخواند، پیغامآها مدخوش شده و آلیس و باب متوجه مداخله وی میآشوند.
توزیع کلید کوانتومی بدون تحمیل هر گونه فرضیات محاسباتی امکان پذیر است (فرضیاتی که بیان میآکنند بعضی از مسائل محاسباتی مانند تجزیه اعداد بزرگ زمان بسیار طولانی را روی کامپیوتر صرف میآکنند). توزیع کلید کوانتومی دارای امنیت بدون قید و شرط است. تنها فرضیات پایدار ماندن قوانین مکانیک کوانتومی و وجود یک کانال شناسایی میان آلیس و باب است. داشتن یک کانال شناسایی امن به این معنا است که ایو نتواند خود را به جای آلیس یا باب معرفی نماید زیرا در غیر این صورت، حمله مردی در میان امکان پذیر میآشود. در حال حاضر توزیع کلید کوانتومی تنها نمونه عملی از رمز نگاری کوانتومی میآباشد.
