یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که خطا‌های بسیار جزئی در هم‌راستاسازی لینک‌های ارتباطی کوانتومی می‌توانند بدون آن‌که به‌راحتی قابل تشخیص باشند امنیت سامانه‌های رمزنگاری کوانتومی را کاهش دهند.

به گزارش sciencealert، توزیع کلید کوانتومی (QKD) به‌عنوان نسل جدیدی از روش‌های حفاظت از ارتباطات دیجیتال به رفتار بنیادی ذرات کوانتومی متکی است. برخلاف روش‌های رمزنگاری کلاسیک که بر پیچیدگی‌های ریاضی تکیه دارند QKD به دو کاربر امکان می‌دهد کلید رمز مشترکی ایجاد کنند که به‌طور ذاتی در برابر شنود مقاوم است؛ به‌طوری‌که هرگونه تلاش برای استراق سمع، وضعیت‌های کوانتومی حامل اطلاعات را تغییر داده و نشانه‌هایی از نفوذ بر جای می‌گذارد.

با این حال عملکرد واقعی سامانه‌های QKD به کنترل بسیار دقیق پیوند فیزیکی میان فرستنده و گیرنده وابسته است. یکی از عوامل مهم در این زمینه خطای نشانه‌گیری یا ناهم‌ترازی پرتو است؛ وضعیتی که در آن پرتو ارسالی به‌طور کامل با آشکارساز گیرنده هم‌راستا نیست. این ناهم‌ترازی می‌تواند در اثر لرزش‌های مکانیکی، آشفتگی‌های جوی یا نقص در سازوکار‌های تنظیم ایجاد شود. حتی انحراف‌های بسیار کوچک نیز می‌توانند بازده آشکارسازی را کاهش داده و نرخ خطا را افزایش دهند؛ عاملی که تاکنون در مطالعات دقیق سامانه‌های QKD مبتنی بر ارتباطات نوری بی‌سیم کمتر مورد توجه قرار گرفته است.

{$sepehr_key_10562}

چارچوب تحلیلی جدید برای مدل‌سازی ناهم‌ترازی

برای بررسی دقیق این چالش پژوهشگران در مقاله‌ای که به‌تازگی در IEEE Journal of Quantum Electronics منتشر شده یک چارچوب تحلیلی جدید ارائه کرده‌اند که امکان کمّی‌سازی تأثیر خطای نشانه‌گیری بر عملکرد سامانه‌های QKD نوری بی‌سیم را فراهم می‌کند. این چارچوب می‌تواند به طراحی لینک‌های ارتباطی کوانتومی ایمن‌تر و قابل‌اعتمادتر کمک کند.

یالچین آتا، استاد دانشگاه فنی اوستیم ترکیه در توضیح این پژوهش می‌گوید: با ترکیب مدل‌های آماری ناهم‌ترازی پرتو و نظریه آشکارسازی فوتون‌های کوانتومی توانستیم روابط تحلیلی دقیقی برای شاخص‌های کلیدی عملکرد سامانه‌های QKD استخراج کنیم و نقش دقیق خطای نشانه‌گیری در کاهش نرخ تولید کلید امن را روشن سازیم.
در این مطالعه تمرکز اصلی بر پروتکل پرکاربرد BB۸۴ بوده و خطا‌های نشانه‌گیری با استفاده از توزیع‌های آماری ریلی (Rayleigh) و هویت (Hoyt) مدل‌سازی شده‌اند؛ توزیع‌هایی که رفتار انحراف‌های افقی و عمودی پرتو را واقع‌بینانه‌تر از مدل‌های ساده پیشین توصیف می‌کنند و به درک دقیق‌تری از خطا‌های تصادفی نشانه‌گیری منجر می‌شوند.

تأثیر بر نرخ خطا و تولید کلید امن

پژوهشگران با استفاده از این مدل‌های آماری برای نخستین‌بار روابط تحلیلی مربوط به احتمال خطا و احتمال غربال‌گری بیت‌ها را در حضور خطای نشانه‌گیری استخراج کردند. این روابط برای محاسبه نرخ خطای بیت کوانتومی (QBER) به کار رفت؛ شاخصی که درصد بیت‌های مخدوش‌شده بر اثر نویز سامانه شرایط محیطی، نقص‌های فنی یا تلاش برای شنود را نشان می‌دهد. QBER یکی از مهم‌ترین معیار‌های ارزیابی امنیت در QKD محسوب می‌شود.

بر اساس مقدار QBER نرخ تولید کلید محرمانه (SKR) نیز محاسبه شد؛ معیاری که نشان می‌دهد با چه سرعتی می‌توان کلید‌های امن مشترک تولید کرد. نتایج نشان داد افزایش پهنای پرتو و در نتیجه افزایش خطای نشانه‌گیری به‌طور قابل‌توجهی عملکرد سامانه را تضعیف کرده و باعث افزایش QBER و کاهش SKR می‌شود. افزایش اندازه دهانه گیرنده می‌تواند تا حدی این اثر را جبران کند اما این بهبود تنها تا یک حد مشخص موثر است.

نکته قابل توجه آن‌که ناهم‌ترازی نامتقارن پرتو، یعنی زمانی که انحراف‌های افقی و عمودی یکسان نیستند می‌تواند در برخی شرایط به بهبود عملکرد منجر شود. همچنین برای دستیابی به نرخ غیرصفر تولید کلید محرمانه که شرط لازم برای ارتباط امن است افزایش تعداد متوسط فوتون‌های ارسالی ضروری ارزیابی شد.

به گفته آتا نتایج ما که بر پایه چارچوب ریلی و هویت به دست آمده با مدل‌های کلی موجود سازگار است، اما در عین حال شفافیت تحلیلی جدیدی درباره نقش نامتقارن بودن خطا‌های نشانه‌گیری در عملکرد سامانه‌های QKD ارائه می‌دهد.

انتهای پیام/