الرياضيات الجديدة للتشفير الكمومي

النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهر في مجلة Quanta.

المشاكل الصعبة عادة لا تكون مشهدًا مرحب به. لكن المشفرين يحبونهم. ذلك لأن بعض مشاكل الرياضيات الصلبة تدعم أمان التشفير الحديث. أي خدعة ذكية لحلها سوف تتهدم معظم أشكال التشفير.

قبل عدة سنوات ، وجد الباحثون مقاربة جديدة جذرية للتشفير التي تفتقر إلى هذه البقعة الضعيفة المحتملة. يستغل النهج الميزات الغريبة للفيزياء الكمومية. ولكن على عكس مخططات التشفير الكمومية السابقة ، والتي تعمل فقط مع بعض المهام الخاصة ، يمكن أن ينجز النهج الجديد مجموعة واسعة من المهام. ويمكن أن تعمل حتى لو كانت جميع المشكلات في قلب التشفير “الكلاسيكي” العادي قابلة للحل بسهولة.

لكن هذا الاكتشاف المذهل اعتمد على افتراضات غير واقعية. وقال فيرمي ما ، باحث تشفير في معهد سيمونز لنظرية الحوسبة في بيركلي ، كاليفورنيا ، إن النتيجة كانت “أكثر من دليل على المفهوم”. “إنه ليس بيانًا عن العالم الحقيقي.”

الآن ، وضعت ورقة جديدة من قبل اثنين من المشفرات طريقًا إلى التشفير الكمومي دون تلك الافتراضات الغريبة. “هذه الورقة تقول أنه إذا كانت بعض التخمينات الأخرى صحيحة ، فيجب أن توجد تشفير الكم” ، قال ما.

القلعة في السماء

يمكنك التفكير في التشفير الحديث كبرج مع ثلاثة أجزاء أساسية. الجزء الأول هو الأساس العميق تحت البرج ، وهو مصنوع من مشاكل رياضية صلبة. البرج نفسه هو الجزء الثاني – يمكنك العثور على بروتوكولات تشفير محددة تتيح لك إرسال رسائل خاصة ، وتوقيع المستندات الرقمية ، وأصواتهم السرية ، والمزيد.

بين ما بين ، تأمين تلك التطبيقات اليومية إلى الأساس الرياضي ، هو أساس مصنوع من لبنات البناء تسمى وظائف في اتجاه واحد. إنهم مسؤولون عن عدم التناسق المتأصل في أي مخطط تشفير. وقال مارك زاندري ، المصور التشفير في NTT Research: “إنه في اتجاه واحد لأنه يمكنك تشفير الرسائل ، لكن لا يمكنك فك تشفيرها”.

في الثمانينيات من القرن الماضي ، أثبت الباحثون أن التشفير المصمم على قمة وظائف في اتجاه واحد سيضمن الأمان للعديد من المهام المختلفة. لكن بعد عقود ، ما زالوا غير متأكدين من أن الأساس قوي بما يكفي لدعمه. تكمن المشكلة في أن الأساس المصنوع من المشكلات الصعبة الخاصة – المعروف باسم مشكلات NP – التي تحدد الميزة هي أنه من السهل التحقق مما إذا كان أي حل مرشح صحيحًا. (على سبيل المثال ، إن كسر رقم إلى عوامله الأولية هو مشكلة NP: من الصعب القيام بأعداد كبيرة ، ولكن من السهل التحقق منها.)

يبدو أن العديد من هذه المشكلات صعبة في جوهرها ، لكن علماء الكمبيوتر لم يتمكنوا من إثبات ذلك. إذا اكتشف شخص ما خوارزمية بارعة لحل مشكلات NP الأكثر صعوبة ، فسوف ينهار الأساس ، وسوف ينهار البرج بأكمله.

لسوء الحظ ، لا يمكنك ببساطة تحريك برجك في مكان آخر. لا يمكن أن يجلس أساس البرج-وظائف في اتجاه واحد-على أساس من مشاكل NP.

لبناء برج على مشاكل أصعب ، سيحتاج المصممون إلى أساس جديد غير مصنوع من وظائف في اتجاه واحد. بدا ذلك مستحيلًا حتى قبل بضع سنوات فقط ، عندما أدرك الباحثون أن الفيزياء الكمومية يمكن أن تساعد.