به گزارش ایسنا، ارتباطات کوانتومی به عنوان یکی از مهمترین فناوریهای نوظهور قرن بیست و یکم، در حال تغییر بنیانهای امنیت و انتقال اطلاعات در جهان است. در حالی که سامانههای ارتباطی امروزی بر مبنای الگوریتمهای رمزنگاری ریاضی از دادهها محافظت میکنند، پیشرفت سریع رایانههای کوانتومی این نگرانی را ایجاد کرده است که در آینده بسیاری از روشهای رمزنگاری رایج توان مقاومت در برابر توان پردازشی این سامانهها را نداشته باشند. از این رو، کشورهای پیشرفته سرمایهگذاری گستردهای را برای توسعه زیرساختهای ارتباطات کوانتومی آغاز کردهاند؛ فناوریای که امنیت آن نه بر دشواری محاسبات ریاضی، بلکه بر قوانین بنیادی فیزیک کوانتومی استوار است.
در ارتباطات کوانتومی، اطلاعات از طریق ذراتی مانند فوتونها و در قالب «کیوبیت» منتقل میشود. ویژگیهایی همچون برهمنهی و درهمتنیدگی کوانتومی این امکان را فراهم میکند که هرگونه شنود یا مداخله در مسیر انتقال اطلاعات به سرعت آشکار شود. مهمترین کاربرد عملی این فناوری در حال حاضر، سامانههای توزیع کلید کوانتومی (QKD) است که برای ایجاد کلیدهای رمزنگاری فوقامن به کار میرود و به عنوان نخستین گام در مسیر تحقق «اینترنت کوانتومی» شناخته میشود.
در سالهای اخیر رقابت جهانی برای توسعه این فناوری شتاب گرفته است. چین با پرتاب ماهواره «میسیوس» و ایجاد هزاران کیلومتر شبکه فیبر نوری کوانتومی، یکی از پیشگامان این حوزه محسوب میشود و موفق شده ارتباطات کوانتومی ماهوارهای در مقیاس بینقارهای را آزمایش کند. ایالت متحده آمریکا نیز از طریق برنامه ملی کوانتوم و ایجاد شبکههای آزمایشی اینترنت کوانتومی، سرمایهگذاری گستردهای در این زمینه انجام داده است.
کشورهای اروپایی نیز در قالب برنامه «یوروکیوسیآی» (EuroQCI) در حال توسعه زیرساخت ارتباطات کوانتومی در مقیاس قارهای هستند.
در چنین شرایطی، توسعه دانش و زیرساختهای ارتباطات کوانتومی به یکی از اولویتهای راهبردی کشورها تبدیل شده است؛ چرا که این فناوری نه تنها امنیت ارتباطات آینده را تضمین میکند، بلکه زیرساخت لازم برای شکلگیری اینترنت کوانتومی، رایانش توزیعشده کوانتومی و نسل جدید خدمات ارتباطی را فراهم خواهد کرد.
رئیس پژوهشکده فناوری ارتباطات با اشاره به تفاوت بنیادین امنیت در سامانههای کلاسیک و کوانتومی گفت: در ارتباطات کوانتومی، امنیت نه بر پایه پیچیدگی ریاضی، بلکه بر اساس قوانین فیزیک و ویژگیهایی مانند برهمنهی و درهمتنیدگی تضمین میشود و هرگونه تلاش برای شنود، بهطور ذاتی قابل شناسایی خواهد بود
تفاوت ارتباطات کوانتومی با سامانههای ارتباطی کنونی
رضا بحری در گفتوگو با ایسنا، تفاوت اصلی ارتباطات کوانتومی با سامانههای ارتباطی متداول را در نوع اطلاعات، روش انتقال و سطح امنیت آنها دانست و گفت: در سامانههای ارتباطی متداول، اطلاعات به صورت بیتهای کلاسیک منتقل میشود. هر بیت تنها میتواند یکی از دو مقدار صفر یا یک را داشته باشد و این اطلاعات معمولا از طریق سیگنالهای الکتریکی، نوری یا رادیویی در کانالهای ارتباطی ارسال میشوند. امنیت در این سامانهها نیز معمولاً بر پایه الگوریتمهای رمزنگاری ریاضی است؛ بنابراین با پیشرفت توان محاسباتی یا کشف روشهای ریاضی جدید، امکان شکستن رمز وجود دارد.
وی افزود: در مقابل، در ارتباطات کوانتومی اطلاعات به صورت اطلاعات کوانتومی منتقل میشود که واحد آن «کیوبیت» (Qubit) است. کیوبیت میتواند به طور همزمان در حالت برهمنهی (Superposition) از صفر و یک قرار داشته باشد. همچنین امنیت این سامانهها مبتنی بر ویژگیهای بنیادی مکانیک کوانتومی مانند برهمنهی، درهمتنیدگی (Entanglement) و اصل عدم قطعیت است، نه پیچیدگی محاسبات ریاضی. یکی از نتایج مهم این ویژگیها آن است که هرگونه تلاش برای شنود یا اندازهگیری غیرمجاز باعث تغییر حالت کوانتومی میشود و در نتیجه قابل تشخیص خواهد بود؛ بنابراین امنیت ارتباط به طور ذاتی در قوانین فیزیک تضمین میشود.
بحری، هدف نهایی توسعه ارتباطات کوانتومی را ایجاد اینترنت کوانتومی عنوان کرد و گفت: اینترنت کوانتومی شبکهای است که در آن اطلاعات کوانتومی میان رایانههای کوانتومی در نقاط مختلف مبادله میشود. چنین شبکهای میتواند امکان انجام محاسبات توزیعشده کوانتومی، ارتباطات فوقامن و کاربردهای پیشرفته علمی را فراهم کند.
وی با تأکید بر اینکه دستیابی به اینترنت کوانتومی به صورت گامبهگام انجام میشود، یادآور شد: نخستین گام عملی در این مسیر، سامانههای توزیع کلید کوانتومی (QKD) است. در این سامانهها اطلاعاتی که بین کاربران رد و بدل میشود همچنان کلاسیک است، اما کلید رمزنگاری با استفاده از حالتهای کوانتومی، مانند فوتونها منتقل میشود. به دلیل ویژگیهای فیزیک کوانتومی، اگر شخص سومی بخواهد کلید را شنود کند، حضور او آشکار میشود و ارتباط ناامن تشخیص داده خواهد شد.
رئیس پژوهشکده فناوری ارتباطات ادامه داد: ارتباطات کلاسیک بر انتقال بیتهای کلاسیک و امنیت مبتنی بر ریاضیات تکیه دارد، در حالی که ارتباطات کوانتومی بر انتقال کیوبیتها و امنیت مبتنی بر قوانین فیزیک کوانتومی استوار است و گامی اساسی در جهت تحقق اینترنت کوانتومی به شمار میرود.
بحری با اشاره به مهمترین ویژگی ارتباطات کوانتومی اظهار کرد: هرگونه تلاش برای شنود یا اندازهگیری اطلاعات کوانتومی موجب تغییر در حالت کوانتومی آن میشود و قابل شناسایی است. به بیان ساده، اگر فردی بخواهد بهصورت مخفیانه به کلیدهای امنیتی دسترسی پیدا کند، اثر این مداخله در سامانه آشکار خواهد شد. این ویژگی امکان توزیع کلیدهای رمزنگاری با سطحی از امنیت را فراهم میکند که در برابر بسیاری از تهدیدات آینده، از جمله رایانش کوانتومی، مقاوم است.
وی با تاکید بر اینکه ارتباطات کوانتومی جایگزین کامل شبکههای ارتباطی فعلی نیست، بلکه به عنوان یک لایه امنیتی پیشرفته در کنار زیرساختهای موجود به کار گرفته میشود، خاطر نشان کرد: به همین دلیل امروزه بسیاری از کشورها، اپراتورها و نهادهای حساس در حال سرمایهگذاری روی فناوریهایی مانند توزیع کلید کوانتومی هستند تا امنیت ارتباطات حیاتی خود را در دهههای آینده تضمین کنند.
رئیس پژوهشکده فناوری ارتباطات اضافه کرد: اگر امنیت ارتباطات امروزی بر پایه دشوار بودن حل مسائل ریاضی استوار است، امنیت ارتباطات کوانتومی بر پایه قوانین تغییرناپذیر طبیعت بنا شده است.
هجوم سرمایهگذاری کشورها روی ارتباطات کوانتومی
بحری با اشاره به سرمایه گذاری کشورها بر روی توسعه فناوریهای ارتباطات کوانتومی، خاطر نشان کرد: علت این رویکرد این است که این فناوریها به عنوان یکی از پیشرانهای اصلی تحول علمی، اقتصادی و امنیتی در دهههای آینده شناخته میشوند. بسیاری از صاحبنظران معتقدند همان گونه که فناوری نیمههادیها، اینترنت و هوش مصنوعی موجب شکلگیری مزیتهای راهبردی برای کشورهای پیشرو شدند، فناوریهای کوانتومی نیز میتوانند توازن قدرت علمی و فناورانه جهان را تحت تأثیر قرار دهند.
وی با تاکید بر اینکه در حوزه ارتباطات، فناوری کوانتومی امکان ایجاد زیرساختهای ارتباطی با سطح امنیت بسیار بالا را فراهم میکند، اضافه کرد: از سوی دیگر، پیشرفت رایانش کوانتومی میتواند در آینده بخشی از سامانههای رمزنگاری متداول را با چالش مواجه کند. به همین دلیل بسیاری از کشورها تلاش میکنند از امروز زیرساختها، دانش فنی و نیروی انسانی مورد نیاز برای ورود به عصر کوانتوم را توسعه دهند تا در آینده با وابستگی فناورانه یا مخاطرات امنیتی مواجه نشوند.
رییس پژوهشکده فناوری اطلاعات پژوهشگاه ICT ادامه داد: فناوریهای کوانتومی تنها به ارتباطات محدود نمیشوند و حوزههایی مانند رایانش کوانتومی و حسگری کوانتومی را شامل میشود که در حوزههای مختلف مانند فاوا، ناوبری، اندازهگیریهای فوقدقیق، سلامت، انرژی و صنایع دفاعی کاربرد دارند. به همین دلیل سرمایهگذاری در این حوزه صرفا یک سرمایهگذاری علمی نیست، بلکه سرمایهگذاری برای دستیابی به مزیت رقابتی، امنیت ملی و سهم بیشتر از اقتصاد فناوریهای پیشرفته در آینده محسوب میشود.
به گفته وی، کشورها امروز روی فناوریهای کوانتومی سرمایهگذاری میکنند، زیرا معتقدند مزیت راهبردی فردا نه فقط در داده و هوش مصنوعی، بلکه در تسلط بر فناوریهای کوانتومی شکل خواهد گرفت.
بحری، مهمترین مزیت ارتباطات کوانتومی را در حوزه امنیت، قابلیت آشکارسازی هرگونه تلاش برای شنود یا دسترسی غیرمجاز به اطلاعات عنوان کرد و گفت: در سامانههای ارتباطی متداول ممکن است یک مهاجم بتواند بدون آنکه طرفین ارتباط متوجه شوند، دادهها را رهگیری یا ذخیره کند؛ اما در ارتباطات کوانتومی، فرآیند اندازهگیری ذاتا وضعیت اطلاعات کوانتومی را تغییر میدهد. پس کوچکترین مداخله در مسیر تبادل اطلاعات قابل شناسایی خواهد بود.
وی اضافه کرد: این ویژگی به طور ویژه در فناوری توزیع کلید کوانتومی اهمیت دارد. در این روش، پیش از تبادل اطلاعات، کلیدهای رمزنگاری به کمک اصول فیزیک کوانتومی میان دو طرف توزیع میشوند. اگر فردی تلاش کند به این کلیدها دسترسی پیدا کند، آثار این اقدام در نرخ خطا یا وضعیت سامانه ظاهر شده و طرفین میتوانند از وجود شنود آگاه شوند و کلید را کنار بگذارند.
بحری تاکید کرد: به بیان دیگر، ارتباطات کوانتومی امنیت را از سطح «دشوار بودن شکستن رمز» به سطح «امکان تشخیص هرگونه شنود» ارتقاء میدهد. این ویژگی موجب شده است که ارتباطات کوانتومی به عنوان یکی از امیدوارکنندهترین فناوریها برای حفاظت از ارتباطات حساس دولتی، مالی، دفاعی و زیرساختهای حیاتی در آینده شناخته شود.
بحری تاکید کرد: در ارتباطات کوانتومی، امنیت تنها به محرمانه ماندن اطلاعات محدود نمیشود؛ بلکه هرگونه تلاش برای دسترسی غیرمجاز نیز قابل شناسایی است.
ارتباطات کوانتومی چگونه میتواند امنیت ارتباطات دولتی، نظامی و بانکی را افزایش دهد
رییس پژوهشکده فناوری اطلاعات، در پاسخ به این سوال که آیا غیر قابل شنود بودن ارتباطات کوانتومی اغراق است یا واقعیت اثبات شده است، گفت: ارتباطات و رمزنگاری کوانتومی از لحاظ نظری، امنیت بیقید و شرط در برابر توان پردازشی مهاجم جهت شنود و نفوذ را دارند؛ یعنی امنیت آنها به قدرت محاسباتی مهاجم یا الگوریتمهای رمزگشایی وابسته نیست و بر قوانین بنیادی فیزیک کوانتومی استوار است. بنابراین حتی با در اختیار داشتن رایانههای بسیار قدرتمند نیز نمیتوان اطلاعات را شنود یا کپی کرد.
وی ادامه داد: با این حال، در عمل به دلیل محدودیتها و نقصهای احتمالی در تجهیزات و پیادهسازیهای فنی ممکن است راههایی برای استراق سمع به وجود آید. البته این به آن معنا نیست که هر فردی میتواند به اطلاعات دسترسی پیدا کند؛ بلکه هرگونه تلاش برای شنود یا اندازهگیری حالتهای کوانتومی معمولاً باعث ایجاد اختلال قابل تشخیص در سامانه میشود و آثار آن در فرآیند تبادل کلید یا دادهها آشکار خواهد شد.
بحری خاطر نشان کرد: این ویژگی ناشی از قوانین فیزیک کوانتوم است که بر اساس آن، اندازهگیری یک حالت کوانتومی موجب تغییر آن میشود. بنابراین برخلاف بسیاری از سامانههای متداول که ممکن است شنود برای مدت طولانی بدون آشکار شدن انجام شود، در ارتباطات کوانتومی امکان شنود پنهانی به شدت محدود میشود.
وی مهمترین کاربرد این فناوری را در حوزه توزیع کلیدهای رمزنگاری دانست و اظهار کرد: در واقع ارتباطات کوانتومی معمولا خودِ پیام را منتقل نمیکند، بلکه کلیدهای رمزنگاری را با امنیت بسیار بالا میان دو طرف توزیع میکند. اگر فردی در فرآیند توزیع کلید مداخله کند، این موضوع قابل تشخیص خواهد بود و طرفین میتوانند از کلید استفاده نکنند. به همین دلیل، ارتباطات کوانتومی یک لایه امنیتی بسیار قدرتمند برای حفاظت از ارتباطات حساس ایجاد میکند.
بحری اضافه کرد: اما در خصوص اینکه ارتباطات کوانتومی چگونه میتواند امنیت ارتباطات دولتی، نظامی و بانکی را افزایش دهد، باید عنوان کرد قابلیت کاهش شنود پنهانی برای ارتباطات دولتی، نظامی و بانکی اهمیت ویژهای دارد. در این حوزهها، نگرانی فقط امنیت برای امروز نیست، بلکه حفاظت از اطلاعات در برابر تهدیدات آینده نیز مطرح است. با پیشرفت رایانش کوانتومی، بخشی از روشهای رمزنگاری متداول ممکن است در آینده با چالش مواجه شوند. ارتباطات کوانتومی میتواند به عنوان یکی از ابزارهای کلیدی برای حفاظت از تبادل کلیدهای رمزنگاری و افزایش تابآوری زیرساختهای حیاتی در برابر تهدیدات پیشرفته سایبری مورد استفاده قرار گیرد.
وی افزود: به همین دلیل بسیاری از دولتها، بانکهای بزرگ و سازمانهای حساس در جهان سرمایهگذاری گستردهای در این حوزه انجام دادهاند. به طور خلاصه، مزیت اصلی ارتباطات کوانتومی این نیست که کسی نتواند حمله کند؛ مزیت آن این است که حمله، پنهان باقی نمیماند.
بحری به تهدیدهای جدید با ظهور رایانههای کوانتومی، اشاره کرد و گفت: امروزه بخش قابل توجهی از امنیت فضای دیجیتال، از تراکنشهای بانکی و تجارت الکترونیکی گرفته تا ارتباطات دولتی و تبادل اطلاعات در اینترنت، بر پایه الگوریتمهای رمزنگاری کلید عمومی استوار است. امنیت این الگوریتمها بر این فرض بنا شده که حل برخی مسائل ریاضی، مانند تجزیه اعداد بسیار بزرگ یا محاسبه لگاریتم گسسته، برای رایانههای کلاسیک بسیار دشوار و زمانبر است.
رییس پژوهشکده فناوری اطلاعات با بیان اینکه با ظهور رایانههای کوانتومی قدرتمند، این فرض ممکن است دستخوش تغییر شود، یادآور شد: برخی از الگوریتمها نشان دادهاند که یک رایانه کوانتومی در صورت دستیابی به مقیاس و پایداری کافی، میتواند برخی از مسائل ریاضی مورد استفاده در سامانههای رمزنگاری فعلی را با سرعتی بسیار بیشتر از رایانههای کلاسیک حل کند. در چنین شرایطی، بخشی از زیرساختهای امنیتی کنونی که بر رمزنگاری کلید عمومی متکی هستند، در معرض تهدید قرار خواهند گرفت.
وی اضافه کرد: یکی از نگرانیهای مهم در این حوزه، سناریوهایی است که در آن مهاجمان ممکن است امروز دادههای رمزگذاری شده را ذخیره کنند، به این امید که در آینده و با دسترسی به رایانههای کوانتومی پیشرفته بتوانند آنها را رمزگشایی کنند. به همین دلیل، بسیاری از کشورها و سازمانهای بزرگ از هم اکنون در حال حرکت به سمت راهکارهایی مانند رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم (رمزنگاری پساکوانتومی) و ارتباطات کوانتومی هستند تا زیرساختهای حیاتی خود را برای عصر کوانتومی آماده کنند.
بحری با تاکید بر اینکه باید توجه داشت که رایانههای کوانتومی امروزی فاصله چندانی تا شکستن عملی و گسترده سامانههای رمزنگاری رایج دارند، خاطر نشان کرد: با این حال، به دلیل زمانبر بودن نوسازی زیرساختهای ارتباطی و امنیتی، بسیاری از دولتها و سازمانهای بینالمللی معتقدند که آمادگی برای این تحول باید از امروز آغاز شود، نه زمانی که تهدید به واقعیت تبدیل شده باشد. تهدید اصلی رایانههای کوانتومی این نیست که امنیت امروز را از بین ببرند؛ بلکه این است که زیرساختهای امنیتی طراحیشده برای چند دهه آینده را با چالش مواجه کنند. یکی از نیازهای مهم کشور در این حوزه، ایجاد سکوهای آزمون و شبکههای آزمایشگاهی ارتباطات کوانتومی است تا امکان ارزیابی و بومیسازی فناوریهای نوظهور کوانتومی فراهم شود.
منبع: ایسنا