מהי קריפטוגרפיה קוונטית?

הצפנה קוונטית מתייחסת למערכות הצפנה הנשענות על אפקטים ומאפיינים מכאניים קוונטיים לביצוע משימות הצפנה. זאת בניגוד לקריפטוגרפיה קלאסית המשמשת במחשבים מודרניים. דרישה בסיסית של הצפנה קוונטית היא השימוש במחשב קוונטי; לא ניתן לבצע אותו באמצעות מחשב רגיל.

QKD

התחום העיקרי בהצפנה קוונטית הוא QKD. QKD קיצור של חלוקת מפתחות קוונטית. במקום להשתמש בתהליך הצפנה קוונטית מלאה, QKD משתמשת באפקטים קוונטיים כדי להפיץ מפתח הצפנה קלאסי בצורה מאובטחת. המשמעות היא שצריך לפתח רק מערכת תקשורת קוונטית מאובטחת מוכחת ולא אלגוריתמים קוונטיים הרבה יותר מורכבים. זה גם מפחית את הדרישות הפיזיות; מבחינה טכנית, רק כרטיס רשת קוונטי יידרש במחשב רגיל ולא במחשב קוונטי שלם.

מכניקת הקוונטים מתאימה באופן סביר לפיתוח מערכות תקשורת קוונטיות מאובטחות. ישנן דרכים לתקשר עם ערוצי תקשורת קוונטיים שצד שלישי לא מורשה לא יכול לעקוב אחריהם מבלי שהפריצה הזו ניתנת לזיהוי.

ניתן לצמצם את האבטחה של ערוץ תקשורת קוונטי לכמה דרישות מינימליות ביותר. תנאי אחד כזה הוא שלשני הצדדים הלגיטימיים תהיה דרך כלשהי לאמת אחד עם השני. דרישה נוספת היא פשוט שחוקי מכניקת הקוונטים יחולו.

הבעיה העיקרית של QKD נובעת מהקושי להעביר מידע קוונטי למרחקים משמעותיים. מחקרים נוכחיים מאפשרים שיעורי הסכם מפתח מתאימים על סיבים אופטיים באורך של עד 550 ק"מ. מעבר למרחק הזה, דרושים מחזרים קוונטיים כדי להבטיח שהאות לא יאבד ברעש. בנוסף, ניתוב תקשורת קוונטית דרך אינטרנט קוונטי יהיה מאתגר. מערכות הבדיקה הנוכחיות נוטות להיות מנקודה לנקודה.

תחומי מחקר אחרים

ניתן להשתמש באפקטים קוונטיים בתחום של מחשוב קוונטי חסר אמון. כאן, שני צדדים יכולים לשתף פעולה מבלי לסמוך זה על זה. ניתן לעצב את המערכת הקוונטית כך ששני הצדדים יוכלו להוכיח שהשני בגד. עם זאת, שיטות אלו מסתמכות גם על השפעות לא קוונטיות כגון תורת היחסות הפרטית.

מחקר מתמשך בתחומים אחרים, כגון דרישה מנמען להיות במיקום פיזי ספציפי גם אם שני יריבים משתפים פעולה. תוכניות אחרות מנסות לאלץ אפילו נמענים לא ישרים להזדקק להיות כנים על ידי יישום דרישות מערכת מוחצות ליכולת להיות הונאה. חלק גדול מעבודות מסוג זה הראו חולשות ביישומים הקוונטיים הנוכחיים אך השאירו דלת פתוחה למחקר עתידי בתחום צעיר מאוד.

תקשורת קוונטית דורשת מספר דברים כדי להיות מאובטחת באמת. ראשית, שידורים אופטיים צריכים להיות מסוגלים לשלוח פוטונים בודדים. מערכות נוכחיות נוטות להשתמש בלייזרים ששולחים מספר פוטונים. תיאורטית, יריב יכול ליירט פוטונים אחד מני רבים מבלי להשאיר עקבות. עם זאת, יש מחקר מבטיח בפיתוח של מקורות פוטון בודדים.

שנית, גלאי פוטון סובלים מהבדלים מבוססי סובלנות בייצור, אשר פותחים חלון לצותת להחדיר את עצמם לזרם התקשורת מבלי להתגלות. אי אפשר לפתור בעיה זו במלואה ללא סובלנות הדוקה לאין שיעור, דרישה בלתי ניתנת לביצוע.

סיכום

הצפנה קוונטית מתייחסת לקריפטוגרפיה העושה שימוש באפקטים מכאניים קוונטיים. התחום העיקרי הנוכחי הוא חלוקת מפתחות קוונטית המשתמשת בשיטות תקשורת קוונטיות להעברת מפתחות הצפנה קלאסיים. אין לבלבל את ההצפנה הקוונטית עם ההצפנה הפוסט-קוונטית.