הצפנה קוונטית: אל ראש ההר

• לחלק הראשון של הכתבה - לחצו כאן .
  

הניסיונות הראשונים להכללת הצפנה קוונטית ברשתות פעילות - ולא רק בקשרי נקודה לנקודה - כבר החלו. הסוכנות האמריקנית למחקר בטחוני מתקדם (DARPA) מימנה פרויקט שעלותו 4 מיליון דולר לקישור בין שישה צומתי רשת בין אוניברסיטת הרווארד, אוניברסיטת בוסטון וחברת BBN טכנולוגיות מקיימברידג' שבמסצ'וסטס, שמילאה תפקיד מכריע בהקמת האינטרנט. מפתחות ההצפנה משוגרים בקישורים ייעודיים, והתשדורות שהוצפנו בעזרת המפתחות האלה משוגרות דרך האינטרנט.

"זוהי רשת ההצפנה הקוונטית הפעילה הראשונה שפועלת ברציפות מחוץ למעבדה," מציין צ'יפ אליוט, ראש הפרויקט. הרשת, שכל ייעודה הוא רק להוכיח שהטכנולוגיה אכן פועלת, מעבירה תשדורות אינטרנט רגילות ולא מסווגות. "הסוד היחיד שאנו יכולים לדמיין כאן הוא היכן אפשר למצוא חניה," אומר אליוט. בסתיו 2004 הדגימו במשך חודש רצוף, id Quantique ושותפתה Deckpoint מז'נבה, ספקית שירותי מידע, את פעולתה של רשת שאפשרה למכלול של שרתים בז'נבה לשמור גיבוי של נתוניהם באתר שנמצא במרחק של 10 ק"מ מהם. המפתחות החדשים הופצו לעתים קרובות דרך קו שהוצפן בהצפנה קוונטית.

השימושים הראשונים בהצפנה קוונטית מופיעים ברשתות בעלות פריסה גאוגרפית מוגבלת. היתרון הגדול של השיטה - כל מי שיקרא תשדורת גם ישנה אותה בדרך שאינה ניתנת לתיקון - הוא גם הגורם לכך שאי אפשר להגביר את האותות הנושאים את מפתחות ההצפנה באמצעות ציוד הרשת הפועל כיום שמשקם אותות שנחלשו ומעביר אותם הלאה למגבר הבא. כל שימוש במגבר אופטי ישבש את הקוביטים.

החוקרים השואפים להגדיל את טווח הקישור נושאים את מבטם אל מעבר לסיבים האופטיים, כנשאי המפתחות הקוונטיים. מדענים טיפסו לראשי הרים - שכן ההפרעות האטמוספריות מתמעטות עם עליית הגובה - כדי להוכיח שאפשר לשגר פוטונים דרך האוויר. ניסוי אחד במעבדה הלאומית לוס אלמוס יצר ב-2002 קישור של 10 ק"מ.

בין שתי פסגות

ניסוי אחר עשו QinetiQ מפארנבורו שבאנגליה ואוניברסיטת לודוויג-מקסימיליאן במינכן, בין שתי פסגות באלפים הדרומיים שהמרחק ביניהן 23 ק"מ. אופטימיזציה של הטכנולוגיה הזאת - שימוש בטלסקופים גדולים יותר לקליטה, במסננים טובים יותר ובציפוי נגד החזרת אור - אולי תאפשר את בנייתה של מערכת שתוכל לקלוט ולשדר אותות למרחקים של יותר מ-1,000 ק"מ, וזה מספיק כדי להגיע ללוויינים במסלול הקפה נמוך סביב כדור הארץ. רשת של לוויינים כאלה תוכל לספק כיסוי כלל עולמי. סוכנות החלל האירופית נמצאת בשלבים המוקדמים של ארגון ניסוי להדגמה של קישור ארץ-לוויין. (האיחוד האירופי גם פתח באפריל מיזם לשימוש בהצפנה קוונטית ברשתות תקשורת, שנועד בחלקו להתמודד עם מערכת "אשלון" ליירוט ופיענוח תקשורת אלקטרונית של שירותי הביון של ארה"ב ובריטניה.)

בסופו של דבר שואפים הקריפטוגרפים לבנות ממסר קוונטי כלשהו - עקרונית, מחשב קוונטי בסיסי שיתגבר על מגבלת המרחק. ממסר כזה יסתמך על תופעת השזירה (entanglement) שנקראה בפי איינשטיין בכינוי המפורסם spukhafte fernwirkungen - פעולת רפאים מרחוק. אנטון ציילינגר ועמיתיו במכון לפיזיקה ניסויית בווינה עשו צעד ראשון לקראת בנייתו של ממסר כזה, כשדיווחו בגיליון 19 באוגוסט 2004 של כתב העת Nature כי קבוצתם השחילה כבל סיבים אופטיים דרך מנהרת ביוב תחת הדנובה והציבה פוטון "שזור" (entangled) בכל קצה. מדידת מצב הקיטוב של אחד הפוטונים (אופקי, אנכי וכדומה) מכתיבה בו-זמנית קיטוב זהה שאפשר למודדו בפוטון האחר.

רעיון השזירה רדף את איינשטיין, אבל ציילינגר וצוותו ניצלו את הקשר הקיים בין שני פוטונים שזורים כדי להעביר ב"טלפורטציה" מידע שנישא על ידי פוטון שלישי למרחק 600 מטר, אל מעבר לדנובה. אפשר להרחיב מערכת כזו למספר רב של ממסרים, ולהעביר את הקוביטים של המפתח על פני אוקיינוסים ויבשות. כדי לממש זאת יהיה צורך לפתח רכיבים אקזוטיים כמו זיכרון קוונטי שמסוגל לאחסן קוביטים בלא לשבש אותם, כדי שיהיה אפשר לשגרם הלאה בקישור הבא. "כל העסק הזה עדיין בחיתוליו. הוא טרם יצא ממעבדות הפיזיקה," מציין ניקולה גיסין, פרופסור באוניברסיטת ז'נבה שהיה שותף להקמת id Quantique וערך גם הוא ניסויים בשזירה לטווחים ארוכים.

הדרך הטובה ביותר להתקין זיכרון קוונטי תהיה אולי באמצעות אטומים, ולא פוטונים. ניסוי שפורסם בכתב העת "Science" מראה כיצד הדבר אפשרי. בהסתמך על רעיונותיהם של חוקרים מאוניברסיטת אינסברוק שבאוסטריה, חיברה קבוצה של חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה מאמר שבו תיארה בפירוט כיצד אפשר ליצור שזירה בין שני "עננים" של אטומי רובידיום קרים ביותר, וכיצד אפשר להטביע בהם קוביט זהה, הודות לקישור הקוונטי. העננים מאחסנים את הקוביט למשך זמן רב יותר מזה שפוטון יכול לאחסנו. הניסוי גם שלח את ערך הקוביט מהענן לפוטון, כלומר, הייתה כאן העברה של מידע מחומר לאור. אלכס קומיץ' ודמיטרי מצוקביץ' מג'ורג'יה-טק מקווים ששזירה של שרשרת עננים תיצור ממסרים שיכולים להעביר קוביטים למרחקים ארוכים.

הנחות מוקדמות

החסינות המיוחסת להצפנה הקוונטית מבוססת על מכלול של הנחות שאינן חייבות להתקיים בהכרח בעולם הממשי. אחת ההנחות האלה היא שרק פוטון יחיד מייצג כל קוביט. בעת פעולה, ההצפנה הקוונטית לוקחת פעימת לייזר ומפחיתה את האנרגיה שלה במידה כזו שאין כמעט סיכוי, במקרה האופייני, שיותר מאחת מכל 10 פעימות תכיל פוטון; זוהי אחת הסיבות שקצב התמסורת כה נמוך. אבל מדובר כאן רק בהסתברות סטטיסטית. בפועל, פעימה עשויה להכיל יותר מפוטון אחד. ולהלכה יוכל המצותת לגנוב פוטון "מיותר" ולהסתייע בו לפיענוח המסר. אלגוריתם תוכנה בשם "הגברת סודיות" מסייע להישמר מפני האפשרות הזאת בכך שהוא ממסך את ערכי הקוביטים.

בסופו של דבר יזדקקו הקריפטוגרפים להתקנים טובים יותר לשיגור פוטונים ולקליטתם. מכון התקנים האמריקני (NIST) הוא אחד הגופים העוסקים בפיתוח התקנים כאלה. "אחד התחומים המעניינים ביותר הוא פיתוח גלאים שיכולים להבדיל בין פוטון אחד, שניים או שלושה שמגיעים בבת אחת," אומר אלן מיגדול מ-NIST. חוקרי המכון מנסים גם להתמודד עם בעיית מהירות התמסורת הנמוכה באמצעות יצירת מפתחות קוונטיים בקצב של כמה מגביט בשנייה - מהירות גדולה פי 100 ממה שהושג בכל הניסיונות הקודמים, שתאפשר הפצת מפתחות אפילו ליישומי וידיאו.

ההצפנה הקוונטית, או בעצם, כל שיטת הצפנה אחרת, עדיין תהיה חשופה להתקפה מכמה סוגים. מצותתים לא קרואים יכולים להשתמש בתכסיסים שונים לשיבוש הגלאים של הצד הקולט ולהסטת הקוביטים אל תחנת ציתות. וכמובן, אין דרך להתגונן מפני "עבודה פנימית". "בגידה היא הדרך הראשונה במעלה (לפענוח צפנים)," מציין סת לויד, מומחה למחשוב קוונטי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). "מכניקת הקוונטים לא יכולה לעשות שום דבר נגדה." ועם כל זאת, בעידן המידע הקוונטי הממשמש ובא, אפשר שהדרכים החדשות הללו לשמירת סודות יהיו עדיפות על כל שיטה אחרת שידועה למצפינים.