اصل عدم قطعیت فیزیک کوانتومی اولین پایه های رمزنگاری کوانتومی را می سازد . با توجه به اینکه انتظار می رود کامپیوترهای کوانتومی آینده مسائل لگاریتمی گسسته را حل کنند و روش های رمزنگاری معروف مانند AES، RSA، DES، رمزنگاری کوانتومی به راه حل پیش بینی شده تبدیل می شود. در عمل، از آن برای ایجاد یک توالی مشترک، مخفی و تصادفی از بیت ها برای برقراری ارتباط بین دو سیستم مثلاً آلیس و باب استفاده می شود. این به عنوان توزیع کلید کوانتومی شناخته می شود . پس از به اشتراک گذاشتن این کلید بین آلیس و باب، تبادل اطلاعات بیشتر می تواند از طریق استراتژی های رمزنگاری شناخته شده انجام شود. 

بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ:

BB84 و انواع آن: یک پالس تک فوتونی از یک پلاریزه عبور می کند. آلیس می‌تواند از یک پلاریزه‌کننده خاص برای پلاریزه کردن یک پالس تک فوتونی استفاده کند و بیت‌های ارزش دودویی را برای خروجی یک نوع خاص (عمودی، افقی، دایره‌ای و غیره) از یک پلاریزه‌کننده رمزگذاری کند. با دریافت پرتو فوتون، باب پلاریزه کننده را حدس می‌زند و باب می‌تواند موارد را با آلیس مطابقت دهد و صحت حدس‌های خود را بداند. اگر ایو سعی می کرد رمزگشایی کند، قطبش توسط قطبشگر ایو باعث اختلاف در موارد مسابقه باب و آلیس می شد و بنابراین آنها از استراق سمع می دانستند. بنابراین در چنین سیستمی اگر ایو بخواهد استراق سمع کند متوجه آلیس و باب خواهد شد. 

• پروتکل B92 برخلاف 4 حالت در BB84 اصلی، تنها دو حالت قطبی دارد.
• BB84 یک پروتکل مشابه SSP دارد که از 6 حالت برای رمزگذاری بیت ها استفاده می کند.
• SARG04 پروتکل دیگری است که از لیزرهای ضعیف استفاده می کند و نتایج بهتری نسبت به BB84 در بیش از یک سیستم فوتون ارائه می دهد.

بر اساس درهم تنیدگی کوانتومی:

E91 و واریانت ها: یک منبع واحد وجود دارد که یک جفت فوتون درهم تنیده را منتشر می کند که آلیس و باب هر ذره را دریافت می کنند. مشابه طرح BB84، آلیس و باب برای هر فوتون انتقال داده شده، بیت‌های کدگذاری شده را مبادله می‌کنند. اما در این سناریو نتیجه‌ی نتایج بازی‌های آلیس و باب در نتیجه اصل Entanglement برعکس خواهد بود. هر کدام از آنها بیت های مکمل در رشته بیت تفسیر شده خواهند داشت. سپس یکی از آنها می تواند بیت ها را معکوس کند تا روی یک کلید توافق شود. از آنجایی که نابرابری بل نباید برای ذرات درهم تنیده باشد، بنابراین این آزمایش می‌تواند عدم وجود استراق سمع را تأیید کند. از آنجایی که عملاً امکان درهم تنیدگی فوتون سوم با سطوح انرژی کافی برای توانایی عدم کشف وجود ندارد، بنابراین این سیستم کاملاً ایمن است. 

• مدل های پروتکل SARG04 و SSP را می توان به نظریه ذرات درهم تعمیم داد.

حملات احتمالی در رمزنگاری کوانتومی:

• حمله تقسیم شماره فوتون (PNS): از آنجایی که ارسال یک فوتون امکان پذیر نیست، بنابراین یک پالس ارسال می شود. برخی از فوتون‌های یک پالس می‌تواند توسط حوا گرفته شود و پس از تطبیق بیت‌ها توسط آلیس و باب، حوا می‌تواند از همان پلاریزه‌کننده‌ای که باب انجام می‌دهد استفاده کند و بنابراین کلید را بدون شناسایی دریافت کند. 
• حمله به حالت جعلی: ایو از یک کپی از آشکارساز فوتون باب استفاده می کند و بنابراین فوتون های در نظر گرفته شده برای باب را می گیرد و سپس آن را به باب می دهد. اگرچه ایو از بیت رمزگذاری شده می داند، باب فکر می کند که آن را از آلیس دریافت کرده است.

رمزنگاری کوانتومی چگونه کار می کند؟

رمزنگاری کوانتومی بر اساس اصل درهم تنیدگی کوانتومی کار می‌کند، این پدیده‌ای است که در آن دو ذره به گونه‌ای همبستگی دارند که وضعیت یک ذره بر وضعیت ذره دیگر تأثیر می‌گذارد، حتی زمانی که آنها با فاصله زیادی از هم جدا شوند. در رمزنگاری کوانتومی، دو طرف، آلیس و باب، از یک جفت ذره درهم تنیده برای ایجاد یک کانال ارتباطی امن استفاده می‌کنند.

فرآیند شامل مراحل زیر است:

1. آلیس جریانی از فوتون ها (ذرات نور) را به باب می فرستد.
2. باب به طور تصادفی زیر مجموعه ای از فوتون ها را انتخاب می کند و قطبش آنها (جهت نوسان) را اندازه می گیرد.
3. باب نتیجه اندازه گیری های خود را از طریق یک کانال ارتباطی کلاسیک برای آلیس می فرستد.
4. آلیس و باب زیرمجموعه ای از اندازه گیری های خود را برای تشخیص هرگونه استراق سمع مقایسه می کنند.
5. اگر استراق سمع شناسایی نشود، از فوتون های باقی مانده برای رمزگذاری پیام خود استفاده می کنند.
6. سپس پیام کدگذاری شده از طریق یک کانال ارتباطی کلاسیک ارسال می شود.

چرا رمزنگاری کوانتومی امن است؟

امنیت رمزنگاری کوانتومی به قوانین اساسی مکانیک کوانتومی متکی است. هر گونه تلاش برای رهگیری یا اندازه گیری فوتون ها در حین انتقال، وضعیت آنها را مختل می کند و آلیس و باب این اختلال را شناسایی می کنند و آنها را از حضور یک استراق سمع آگاه می کند. این به عنوان «قضیه بدون شبیه‌سازی» شناخته می‌شود، که بیان می‌کند که ایجاد یک کپی دقیق از یک حالت کوانتومی ناشناخته غیرممکن است. بنابراین، امنیت کانال ارتباطی توسط قوانین فیزیک تضمین شده است و هک کردن آن غیرممکن است.

کاربردهای رمزنگاری کوانتومی

رمزنگاری کوانتومی این پتانسیل را دارد که با ارائه یک کانال ارتباطی امن که در برابر حملات سایبری مصون است، شیوه ارتباط ما را متحول کند. برخی از کاربردهای رمزنگاری کوانتومی عبارتند از:

• تراکنش‌های مالی: رمزنگاری کوانتومی می‌تواند یک کانال ارتباطی امن برای تراکنش‌های مالی فراهم کند و رهگیری و سرقت اطلاعات مالی حساس را برای مجرمان سایبری غیرممکن کند.
• ارتباطات نظامی و دولتی: رمزنگاری کوانتومی می تواند توسط سازمان های نظامی و دولتی برای برقراری ارتباط امن اطلاعات حساس بدون ترس از رهگیری استفاده شود.
• مراقبت های بهداشتی: از رمزنگاری کوانتومی می توان برای ایمن سازی داده های مراقبت های بهداشتی، از جمله سوابق بیمار و تحقیقات پزشکی استفاده کرد.
• اینترنت اشیا (IoT): از رمزنگاری کوانتومی می توان برای ایمن سازی کانال های ارتباطی دستگاه های اینترنت اشیا استفاده کرد که به دلیل قدرت محاسباتی کم، در برابر حملات سایبری آسیب پذیر هستند.

چالش های رمزنگاری کوانتومی

در حالی که رمزنگاری کوانتومی یک فناوری امیدوارکننده است، اما بدون چالش نیست. برخی از چالش ها عبارتند از:

1. هزینه: رمزنگاری کوانتومی یک فناوری گران قیمت است که به تجهیزات و زیرساخت های تخصصی نیاز دارد و اجرای آن در مقیاس بزرگ را دشوار می کند.
2. محدودیت های فاصله: فاصله بین دو طرف توسط تضعیف فوتون ها در حین انتقال محدود می شود که می تواند بر کیفیت کانال ارتباطی تأثیر بگذارد.
3. پیاده سازی عملی: پیاده سازی رمزنگاری کوانتومی در سناریوهای دنیای واقعی هنوز در مراحل اولیه است و برای کاربردی تر و مقیاس پذیرتر کردن آن نیاز به تحقیق و توسعه بیشتر است.

مزایای:

امنیت بی قید و شرط: رمزنگاری کوانتومی امنیت بی قید و شرط را فراهم می کند، به این معنی که شنود غیرممکن است که داده های ارسال شده را بدون شناسایی رهگیری یا کپی کند.

توزیع کلید: رمزنگاری کوانتومی را می توان برای توزیع کلید ایمن استفاده کرد که جزء ضروری بسیاری از الگوریتم های رمزگذاری است.

سرعت: رمزنگاری کوانتومی می‌تواند ارتباطات ایمن را با سرعت‌های بسیار بالا فراهم کند، که برای برنامه‌هایی که نیاز به انتقال بی‌درنگ داده دارند، مهم است.

امنیت طولانی مدت: رمزنگاری کوانتومی در برابر حملات کامپیوترهای کوانتومی آینده مقاوم است، به این معنی که داده های رمزگذاری شده با استفاده از رمزنگاری کوانتومی حتی در آینده نیز امن خواهند ماند.

تأیید امنیت: رمزنگاری کوانتومی راهی برای تأیید امنیت ارتباطات با شناسایی هرگونه تلاش برای رهگیری یا دستکاری داده ها فراهم می کند.

معایب:

هزینه: اجرای رمزنگاری کوانتومی به دلیل نیاز به سخت افزار و نرم افزار تخصصی می تواند گران باشد.

محدودیت‌های فاصله: رمزنگاری کوانتومی به دلیل ماهیت درهم‌تنیدگی کوانتومی، محدودیت‌های فاصله‌ای دارد، به این معنی که در حال حاضر محدود به ارتباطات کوتاه‌برد است.

پیچیدگی: رمزنگاری کوانتومی یک فناوری پیچیده است که پیاده سازی و نگهداری آن نیازمند دانش و مهارت های تخصصی است.

محدودیت های توزیع کلید: رمزنگاری کوانتومی به دلیل نیاز به شخص ثالث قابل اعتماد برای توزیع کلیدهای رمزنگاری محدود شده است، که می تواند یک ضعف بالقوه در سیستم باشد.

آسیب پذیری در برابر حملات کانال جانبی: رمزنگاری کوانتومی در برابر حملات کانال جانبی، مانند حملات به سخت افزار یا نرم افزار مورد استفاده برای پیاده سازی سیستم، آسیب پذیر است.

نتیجه‌گیری: رمزنگاری کوانتومی این پتانسیل را دارد که راه را متحول کند