ما هو توزيع المفاتيح الكمومية (Quantum Key Distribution)؟

توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) هو عملية إنشاء وتنفيذ مفتاح تشفير كمومي يحمي البيانات المنقولة باستخدام الفيزياء الكمومية. ابتكر تشارلز بينيت وجيل براسارد أول بروتوكول لتوزيع المفاتيح الكمومية عام 1984. يُعرف هذا البروتوكول باسم BB84، وقد وضع معيارًا لإنشاء مفاتيح التشفير الكمومي. تسمح مبادئ الفيزياء الكمومية لطرفين بإنشاء قناة اتصال آمنة.

لإتمام عملية توزيع المفاتيح الكمومية، يجب على طرفين (أحمد وسلمى) أولاً إنشاء قناة اتصال موثقة لإنشاء المفتاح. قبل إنشاء المفتاح، يجب على أحمد وسلمى التفاعل والتحقق من هويتيهما.

تستخدم عملية توزيع المفاتيح الكمومية فوتونات مفردة (كمّات من الضوء) لإنشاء مفتاح تشفير سري. ثم تُرسل الفوتونات عبر كابل وتُقسّم عشوائياً بواسطة مُقسّم شعاع. تُحدد الفوتونات المتبقية المفتاح، الذي لا يعرفه الآن سوى أحمد وسلمى.

في عملية تبادل مفاتيح ديفي هيلمان أو عملية المصافحة الرباعية، يستطيع المهاجمون التجسس على عملية التبادل أو حتى إدخال بياناتهم الخاصة، منتحلين دور المرسل الشرعي (أحمد) وموهمين الطرف المتلقي (سلمى) بأنه لا يزال يتفاعل مع أحمد.

لكن إنشاء قناة باستخدام ميكانيكا الكم ومفتاح كمي يعني أن أي متجسس سيُكتشف. إذا حاول مهاجم مقاطعة التبادل، ستتأثر طبيعة الفوتونات بشكل ملحوظ.

سيعرف أحمد وسلمى أن هناك من يحاول اختراق عملية إنشاء وتوزيع مفاتيحهما. هذه طبقة أمان إضافية لا تتوفر في الطرق التقليدية لإنشاء مفاتيح التشفير.

تزداد أهمية التشفير الكمومي نظرًا لقدرة الحواسيب الكمومية على اختراق أساليب التشفير التقليدية بسهولة. في الحوسبة الكمومية، تُعرف البتات باسم البتات الكمومية أو الكيوبتات. بينما تتخذ البتات في الحوسبة التقليدية قيمتين: 0 أو 1، لا تحتفظ الكيوبتات بقيمة ثابتة.

يسمح عدم استقرار قيمة الكيوبتات للحاسوب الكمومي بحساب العديد من التركيبات العددية في آنٍ واحد. في حين أن مفاتيح التشفير القياسية قد تستخدم سلسلة من البتات، يصعب على المهاجمين تعلمها، تستطيع الحواسيب الكمومية اختراق هذا النوع من التشفير بسرعة.

سيساعد تطبيق أساليب التشفير الكمومي على حماية البيانات الحساسة التي يسهل على الحاسوب الكمومي سرقتها.