آیا ما برای آن روز آماده‌ایم که رایانه‌های کوانتومی قادر به هک کردن تمام رمزهای عبور اینترنت شوند؟

کارشناسان امنیت سایبری اغلب هشدار می دهند که لحظه‌ای به نام «روز کوانتوم»(Q-Day) نزدیک است؛ روزی که رایانه‌های کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند می‌شوند تا تمام روش‌های رمزگذاری را که ما در حال حاضر برای حفظ امنیت اطلاعات خود به آنها متکی هستیم، بشکنند.

«روز کوانتوم» یک موقعیت خیالی نیست، بلکه یک تهدید در دنیای واقعی است که می‌تواند اینترنت و زیرساخت دیجیتال جهانی را مختل کند.

سازمان‌های مختلف دولتی و سازمان‌های خصوصی در حال حاضر اقداماتی را برای مقاومت در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی قدرتمند انجام می‌دهند. این اقدامات شامل توسعه روش‌های رمزگذاری جدید طراحی شده برای مقاومت در برابر حملات کوانتومی و همچنین کاوش تکنیک‌هایی مانند توزیع کلید کوانتومی(QKD) برای ایمن‌سازی ارتباطات در سطح اساسی است.

به تازگی گروهی از محققان از شرکت «توشیبا اروپا» با موفقیت پیام‌ها را در طول ۲۵۴ کیلومتر(۱۵۸ مایل) زیرساخت فیبر نوری موجود با استفاده از رمزنگاری QKD مخابره کردند. چنین شاهکاری برای اولین بار به دست آمده است.

علاوه بر این، این روش برخلاف تنظیمات معمولی ارتباط کوانتومی به یک سیستم برودتی یا لیزر پیشرفته و با فناوری پیشرفته نیاز نداشت.

میرکو پیتالوگا(Mirko Pittaluga)، یکی از محققان این تیم در مصاحبه‌ای گفت: این کار پنجره‌ای را به روی شبکه‌های کوانتومی عملی بدون نیاز به سخت افزارهای عجیب و غریب باز می‌کند.

یک رویکرد عملی برای تحقق ارتباط کوانتومی

محققان برای دستیابی به پیام‌های کوانتومی از راه دور، شبکه‌ای را در ۲۵۴ کیلومتر فیبر نوری تجاری در آلمان راه‌اندازی کردند که مراکز داده در فرانکفورت و کِل(Kehl) را با یک رله مرکزی در کیرچ‌فلد(Kirchfeld) مرتبط می‌کند.

در اغلب سیستم‌های ارتباطی کوانتومی، هماهنگ نگه داشتن امواج نور در فواصل طولانی به لیزرهای پایدار نیاز دارد. با این حال، محققان به جای استفاده از لیزرهای گران‌قیمت فوق پایدار، از روش ساده‌تری استفاده کردند.

گره مرکزی در «کیرچ‌فلد» پرتوهای لیزر را به فرانکفورت و کِل فرستاد و یک مرجع مشترک را فراهم کرد. این به محققان این امکان را داد که بدون نیاز به تجهیزات بسیار تخصصی، حالت‌های نور را به طور مؤثری هماهنگ کنند.

سیستم‌های سنتی برای تشخیص سیگنال‌های کوانتومی ضعیف، معمولاً به آشکارسازهای نانوسیمی ابررسانا متکی هستند که بسیار حساس هستند، اما به واحدهای خنک‌کننده برودتی پرهزینه و حجیم نیز نیاز دارند. این تیم در عوض از «فتودیودهای بهمنی» استفاده کرد که دستگاه‌های نیمه هادی هستند که قادر به تشخیص تک‌فوتون هستند.

فوتودیود یا دیود نوری بهمنی(avalanche photodiode)، نوعی فوتودیود بسیار حساس است که با استفاده از اثر فوتوالکتریک، نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند.

«فتودیودهای بهمنی» بسیار ارزان‌تر هستند و در دمای اتاق کار می‌کنند، اما کارایی کمتری دارند و بیشتر مستعد تشخیص‌های اشتباه هستند.

محققان برای غلبه بر این محدودیت‌ها، یک پالس لیزر مرجع همراه با داده‌های کوانتومی ارسال کردند و دو مجموعه «فتودیود بهمنی» را در هر ایستگاه دریافت کننده نصب کردند.

یک مجموعه با ارتباطات کوانتومی سر و کار داشت، در حالی که مجموعه دیگر، سیگنال‌های مرجع را زیر نظر داشت. این راه‌اندازی به تصحیح خطاهای ناشی از لرزش، تغییرات دما و سایر اختلالات در کابل‌های فیبر نوری کمک کرد.

همه این تکنیک‌های هوشمندانه به محققان این امکان را داد تا QKD را در یک شبکه فیبر نوری ۲۵۴ کیلومتری با موفقیت نشان دهند که دو برابر مسافت بدست‌آمده در آزمایش‌های قبلی است.

اگرچه در حال حاضر این سیستم قادر است داده‌ها را تنها با سرعت ۱۱۰ بیت در ثانیه ارسال کند، اما همچنان یک پیشرفت قابل توجه برای چیزی است که زمانی تصور می‌شد غیرممکن است.

مرحله بعدی؛ افزایش سرعت و مقیاس

محققان می‌گویند افزایش سرعت داده بیش از ۱۱۰ بیت در ثانیه هدف بزرگ بعدی است و یک راه ساده برای انجام این کار، رمزگذاری سریعتر سیستم است.

به عنوان مثال در حال حاضر، در فرکانس ۵۰۰ مگاهرتز کار می‌کند که با استفاده از فناوری موجود، می‌توان آن را تا چند گیگاهرتز افزایش داد. این کار به تنهایی می‌تواند سرعت انتقال داده را تا حدود ۱۰ برابر افزایش دهد.

علاوه بر این، محققان همچنین بر روی ساخت تکرار کننده‌های کوانتومی کار می‌کنند که دستگاه‌های ویژه‌ای هستند که می‌توانند از تلفات سیگنال جلوگیری کنند و فاصله و سرعت پیام‌های کوانتومی را بیشتر کنند.

امیدواریم تحقیقات بیشتر به دانشمندان کمک کند تا به زودی همه این اهداف را محقق کنند و به ساخت یک دنیای دیجیتالی امن‌تر، قبل از رسیدن به «روز کوانتوم» کمک کنند.

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.