بخشی از مقاله
خلاصه
مسئله ارسال امن اطلاعات از دیرباز به عنوان یک مسئله بسیار مهم مورد توجه قرار گرفته و بشر از سالیان دور تاکنون به فکر ابداع روش های مختلفی در این زمینه بوده است. یکی از روشهای ابداعشده برای تبادل امن اطلاعات رمزنگاری اطلاعات است، رمزنگاری را میتوان با توجه به عصر قبل از پیدایش کامپیوترها و عصر پس از ظهور آنها به دو دسته رمزنگاری سنتی و رمزنگاری نوین تقسیم کرد؛ در رمزنگاری سنتی با جابجایی حروف تنها قادر به رمزنگاری متنها بودند ولی با پیدایش کامپیوترها و ذخیره اطلاعات در آنها، هرچیزی که بتوان به صورت بیتهای دودویی ذخیره کرد را می توان رمزنگاری کرد. با پیدایش کامپیوترهای کوانتومی و قدرت پردازشی بسیار بالای آنها زنگ خطری جدی برای شکسته شدن رمزهای کلاسیک موجود به صدا درآمد.
از آنجایی که با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی شکستن رمزهای کلاسیک قوی که چندین سال زمان نیاز داشت با صرف زمان بسیار کوتاهتری قابل شکستن شدند لزوم ایجاد نوع جدیدی از رمزنگاری که بتواند با سرعت و قدرت پردازشی کامپیوترهای کوانتومی مقابله کند بیش از پیش احساس میشد تا اینکه ایده رمزنگاری کوانتومی به جای رمزنگاری کلاسیک مطرح شد. رمزنگاری کوانتومی دارای زیر شاخههای متعددی میباشد که از جمله مهمترین آنها رمزنگاری کوانتومی مبتنی بر توزیع کلید کوانتومی است که در این مقاله به بررسی روشهای موجود در این نوع رمزنگاری و روش انجام آنها پرداخته شده است.
.1 مقدمه
همانطور که در شکل 1 قابل درک است در سال 1956 یکی از بنیان گذاران شرکت اینتل به نام گوردون مور پیش بینی کرد که طی هر 18 الی 24 ماه تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه دوبرابر خواهد شد .[1] به تبع این رشد خیره کننده ترانزیستورها روی هر تراشه قدرت پردازندهها نیز افزایش می یابد و طبیعتا باید اندازه ترانزیستورها نیز کاهش یابد. اندازه ترانزیستورها با شاخص فاصله بین سورس و درین - طول کانال ترانزیستور - آنها بیان میشود که اگر فاصله بین سورس و درین ترانزیستوری از حد مشخص شدهایی کمتر شود ترانزیستور دچار پدیده تونل زنی شده و حالات آن خود به خود بین روشن و خاموش سویچ میکند. بنابراین در مقیاس کوچک قوانین فیزیک کلاسیک در مورد ترانزیستورها صدق نمیکند و قادر به کنترل آنها نیست و باید از فیزیک کوانتوم برای کنترل آنها استفاده کرد.
همچنین با وجود کارهای فراوانی که در زمینه ایجاد امنیت اطلاعات و ارتباط امن با استفاده از کامپیوترهای کلاسیک صورت گرفته همچنان ارتباطاتی که با استفاده از این کامپیوترها و شبکه های ایجاد شده برمبنای آن ها صورت می گیرد ارتباط کاملا امنی برقرار نمیشود و احتمال اسراق سمع در آنها بسیار بالاست. از جمله مسائل دیگری که نهایتا منجر به ساخت کامپیوترهای کوانتومی شد عدم حل یا پیشرفت سریع در حل برخی مسائل حتی با استفاده از سوپرکامپیوترها می باشد.
با توجه به مواردی که گفته شد، نیاز به ایجاد بستری متفاوت با بستر کامپیوترهای کلاسیک بیش از پیش احساس می شد تا اینکه در اواخر دهه 1970 و اوایل 1980 فیزیکدانان و دانشمندان حوزه کامپیوتر از جمله ریچارد فاینمن، دیوید دویچ، پل بنیوف و چارلز بنت نظریه کاربرد دستگاه محاسباتی برمبنای مکانیک کوانتومی را مطرح کردند .[2] و به دنبال این نظریه در سال 1985 محاسبات کوانتومی کشف شد [3] که سبب استفاده از قابلیت های منابع کوانتومی شد.
به تعبیری کامپیوتر کوانتومی تلاش می کند تا از الکترونها و فوتونها برای ذخیره اطلاعات و پردازش استفاده کند و نظریه اطلاعات کوانتومی نیز بر همین مبنا استوار است. با مطرح شدن نظریه اطلاعات کوانتومی و وجود نیازهایی در بهبود حل برخی مسائل موجود مباحثی از جمله، رمزنگاری کوانتومی - Quantum Cryptography - ، رمزنگاری پسا کوانتومی - Post-Quantum Cryptography - ، محاسبات کوانتومی - Quantum Computing - ، الگوریتمهای کوانتومی - Quantum Algorithms - ، ارتباطات کوانتومی - Quantum communications - ، پیچیدگی محاسباتی کوانتومی - Quantum Computational Complexity - ، برنامهنویسی کوانتومی - Quantum Programming - و نهان- نگاری کوانتومی - Quantum Steganography - مطرح شدند که هرکدام به تبع کاربردی که در زمینه خود دارند انقلابی را به پا کردند.
این مقاله مشتمل بر ده بخش است: بخش دوم مربوط به تاریخچهای در مورد محاسبات و کامپیوترهای کوانتومی است، در بخش سوم و چهارم به بررسی چند نمونه رمزنگاری کلاسیک و نقاط قوت و ضعف آن ها پرداخته شده است، بخش پنجم مربوط به رمزنگاری کوانتومی بوده و در بخش ششم و هفتم به دو اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و عدم امکان کپی برداری پرداخته شده است، در بخش هشتم مبحث توزیع کلید کوانتومی عنوان شده و متعاقب آن پروتکلهای رمزنگاری کوانتومی مبتنی بر توزیع کلید مطرح شده است و پایانبخش این مقاله نیز مربوط به نتیجهگیری است.
.2 تاریخچه محاسبات و کامپیوترهای کوانتومی
در اواخر دهه 1970 و اوایل 1980 فیزیکدانان و دانشمندان حوزه کامپیوتر از جمله ریچارد فاینمن، دیوید دویچ، پل بنیوف و چارلز بنت نظریه کاربرد دستگاه محاسباتی برمبنای مکانیک کوانتومی را مطرح کردند. آن ها نشان داند که نمیتوان دسته ی خاصی از محاسبات کوانتومی را توسط کامپیوترهای کلاسیک به طور کارا شبیهسازی کرد و بیان کردند که شبیه سازی کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک، کار بسیار دشواری است .
2] سپس به دنبال این نظریه در سال 1985 محاسبات کوانتومی کشف شد [3] که سبب استفاده از قابلیت های منابع کوانتومی شد. تا اوایل دهه 1990 مزیت سرعت کامپیوترهای کوانتومی بر کامپیوترهای کلاسیک درک نشده بود تا اینکه دیوید دویتش و ریچارد ژوزه نشان دادند که کامپیوترهای کوانتومی از تابعی به صورت I: 0'1 * 0'1 استفاده میکنند. ما می-توانیم مطمئن باشیم که تابع یک مقدار 0 یا 1 دارد یا در وضعیت تعادل - در نیمی از نتایج 0 و در نیمی دیگر 1 را بر می-گرداند - قرار می گیرد .[6] الگور یتم دویتش و ژوزه پایه ایی شد برای شخصی به نام پیتر شور تا یکی از معروفترین و مهمترین الگوریتمهای کوانتومی که جهان محاسباتی تا به حال به خود دیده است را بنا نهد. پیتر شور یک الگوریتم کوانتومی برای تجزیهی اعداد به عوامل اول ابداع کرد.
الگوریتم شور قادر است در زمانی از مرتبه ی چند جملهای یک عدد را به عوامل اول تجزیه کند. درحالیکه در کامپیوترهای کلاسیک، اعتقاد براین است که تجزیه به عوامل اول کار دشواری است. تجزیه اعداد بزرگ که روی یک کامپیوتر کلاسیک حتی بر روی یک ابر کامپیوتر می تواند چندین سال و یا حتی چندین قرن طول بکشد، در حالیکه توسط این الگوریتم و روی کامپیوترهای کوانتومی، میتواند در چند دقیقه انجام گیرد .
[7] در سال 1996، گروور یک الگوریتم کوانتومی برای حل مسئلهی جستوجو در یک لیست نامرتب ارائه داد. این الگوریتم بر خلاف الگوریتم جستجوی کلاسیک با مرتبه زمانی O - n - ، به مرتبه زمانی 2 - Q - نیا دارد .[8] این اقدامات جز اولین اقدامات دانشمندان در سراسر جهان بود و در سالهای بعد تا به امروز کامپیوتر های کوانتومی جز مباحث ویژه در اکثر مراکز تحقیقاتی مهم جهان در حال بررسی هستند. به طوری که کامپیوترهای کوانتومی Dwave1 و Dwave2 ساخته شده اند.
رمز نگاری کوانتمی، جلودار اهداف برای ایجاد کامپیوتر های کوانتمی از اوایل دهه 1980 بود. به خاطر نوع رفتاری که کیوبیت ها هنگام مشاهده دارند، امکان ایجاد نوع جدیدی از ارتبط کوانتومی بین دو طرف ارتباط را ایجاد کرده است. در حالیکه قبلا انتقال اطلاعات به این صورت بود که دریافت کننده یک کلید رمز برای رمزگشایی یک متن رمز شده در اختیار داشت، محققان توانستند از فوتون ها برای فرستادن متن و تشخیص اینکه آیا متن در طول راه دیده شده یا خیر استفاده کنند.
