קצת מעבר לכוחותיו של ההאקר הממוצע יצירת צפנים בלתי-ניתנים-לפענוח בעזרת עקרונות היסוד של מכניקת
הקוונטים
ניו יורק טיימס
לפני שבעים שנה, אלברט איינשטיין ומדענים אחרים ניסו להוכיח שמכניקת הקוונטים, החוקים המשונים המתארים את עולם הדברים הקטנים ביותר, אינה נכונה. בין השאר הוכיח איינשטיין, כי על פי מכניקת הקוונטים מדידת חלקיק אחד יכולה לשנות מיידית את תכונותיו של חלקיק אחר, ולא משנה עד כמה הם רחוקים זה מזה. הוא סבר שפעולה זו, הנעשית מרחוק וקרויה “שזירה” (Entanglement), היא אבסורדית מכדי שתהיה בטבע וערך ניסויים מסובכים כדי להציג את ההשלכות המוזרות שיכולות להיות לתופעה כזאת.
אך מחקרים המתועדים בשלושה מאמרים שהתפרסמו באחרונה בכתב עת “”Letters Physical Review מראים עד כמה איינשטיין שגה. הניסויים לא רק מצביעים על כך שתופעת השזירה אכן מתרחשת, דבר הידוע כבר זמן מה, אלא גם שאפשר להשתמש בה ליצירת צפנים בלתי ניתנים לפענוח כדי לאבטח מידע. “תחילה זה נראה כמו פילוסופיה צרופה”, אמר פרופ' ניקולה ז'יסן, פיסיקאי באוניברסיטת ז'נווה, ממחברי אחד המחקרים. “כעת אנו מבררים אם אותם צדדים מוזרים של מכניקת הקוונטים עשויים לסייע באבטחת רשת האינטרנט, למשל”.
אפשר לדמות את ההתרחשות המוזרה הנקראת “שזירה” לסיטואציה שבה שני מטבעות, הנמצאים בשני צדי כדור הארץ, מוטלים שוב ושוב באותו זמן, ובכל הפעמים נופלים על אותו צד – או על “עץ”, או על “פלי”. מטבעות כמובן אינם מתנהגים כך; חלקיקים קוונטיים כן.
תופעת השזירה מאפשרת למנוע לחלוטין ציתות ופיענוח של מידע שמועבר בקוד, מכיוון שכל מדידה של אחד מהחלקיקים המועברים – וניסיון לצותת הוא למעשה מדידה – מותירה את רישומה על החלקיק הקשור אליו. כלומר, אם מישהו מנסה לצותת הוא יתגלה מיד, לא משנה כמה הוא מתוחכם מבחינה טכנית.
ערובה זו למעבר בטוח של מידע מאפשרת לפתח צפנים שאינם ניתנים לפיצוח תוך כדי שימוש בעקרונות היסוד של מכניקת הקוונטים. שיטה זו מכונה הצפנה קוונטית. היא שונה בתכלית מכל שיטות ההצפנה הקיימות, שמפתחיהן עושים מאמצים אדירים כדי לעשותן סבוכות מאוד מבחינה מתמטית ולפיכך קשות מאוד לפיצוח. אבל גם את שיטות ההצפנה הסבוכות ביותר, אפשר, לפחות תיאורטית, לפצח. “היתרון בהצפנה קוונטית הוא שכל זה לא צריך להטריד אותך יותר”, אמר ד”ר פול קוויאט, שותף בכתיבת אחד מהמאמרים. “אם אתה עושה את זה נכון, אתה מוגבל רק על ידי החוקים של הפיסיקה הקוונטית”. ותומס ג'נוויין מאוניברסיטת וינה, הכותב הראשי מאמר אחר, אומר שהפיכת הרעיונות התיאורטיים לטכנולוגיה זמינה כבר אינה בלתי מתקבלת על הדעת: “יצרנו מערכת הצפנה קוונטית שלמה, כמעט מוכנה לשימוש”.
שלושת הצוותים הסתמכו על פוטונים ליצירת הצפנים, אך השיטות שלהם נבדלו זו מזו. ג'נוויין ועמיתיו בנו מערכת היוצרת צפנים קוונטיים והשתמשו בהם להצפנת שרשרת בינארית של ספרות 0 ו- 1 המייצגת תמונת צבע דיגיטלית. אחר כך הם שלחו את התמונה המוצפנת ברשת מחשבים רגילה – הטכניקה הנהוגה בדרך כלל – ופיענחו אותה בצד השני. צוותו של ד”ר קוויאט הצליח לתפוס מצותת שניסה (לצורך הניסוי) להשתחל לתקשורת הקוונטית, והראו שאכן אי אפשר לעשות זאת בלי להתגלות. פרופסור ז'יסן ושותפיו בנו מערכת שעשויה להתאים למערכות תקשורת קיימות.
כפי שאיינשטיין גילה, הדבר הבעייתי ביותר בכל הנוגע לתורת הקוונטים הוא לגרום לעצמך להאמין שהיא אכן מתקיימת במציאות. על פי מכניקת הקוונטים, אין לחלקיקים תכונות מוחלטות עד שמתבוננים בהם או מודדים אותם. עד שהם נמדדים, יכול להיות לחלקיקים קיום פוטנציאלי בשני מקומות או יותר באותו זמן. מרגע שמתבצעת המדידה, יש לחלקיק קיום ממשי רק באחת מנקודות אלה; האפשרות האחרת מתבטלת.
עיקרון זה תקף בין השאר לקיטוב של פוטון, הנשא הקוונטי של האור: הפוטון יכול לרטוט הן אופקית והן אנכית, או בשתי זוויות אלכסוניות שונות, עד שהוא נמדד. ברגע שהפוטון נתקל בפילטרים המתירים רק לפוטון בעל קיטוב מסוים לעבור (משקפי שמש מבוססים על עיקרון דומה), הופך קיטוב הפוטון לידוע ומוחלט. כאשר שני פוטונים שזורים זה בזה ואחד נמדד ויש לו קיטוב אופקי, גם לפוטון השני יהיה קיטוב אופקי. בהתאמה, אם הקיטוב שלו יהיה אנכי, גם הקיטוב של הפוטון השני יהיה אנכי.
תמצית ההצפנה הקוונטית היא יצירת זוגות כאלה של פוטונים ושליחתם לשני אנשים, שמכונים באופן מסורתי אליס ובוב, המעוניינים ליצור ולהיות שותפים לצופן סודי. בוב ואליס, שנמצאים בשני מקומות שונים, מקבלים כמות גדולה של פוטונים – לכל פוטון שבוב מקבל יש בן זוג אצל אליס. לבוב ולאליס יש מכשיר שבודק את הקיטוב של כל פוטון: האם הוא אופקי או אנכי. המדידה עובדת כך שרק אם הפוטון הוא, נאמר, אופקי, בוב ואליס יקבלו תשובה. אם הפוטונים מקוטבים בכיוון אחר, מובטח שלא תהיה לא לאליס ולא לבוב תשובה.
לאחר שבוב ואליס אספו מספיק פוטונים לצופן שלהם, הם מתקשרים בטלפון לא מאובטח ומגלים זה לזו מה היתה השאלה שלהם – במקרה זה, אם הקיטוב של הפוטון הוא אופקי או אנכי – בעבור כל פוטון שעבר במכשיר. אחר כך הם משתמשים רק בתוצאות שקיבלו בעבור הפוטונים שלגביהם שניהם שאלו את אותה שאלה. הם לא מגלים, כמובן, אם קיבלו תשובה או לא. הם לא צריכים לעשות את זה. הודות לתופעת השזירה, הם יודעים ששניהם קיבלו בעבור אותה שאלה את אותה תשובה.
לאחר מכן מתורגמות התוצאות לצופן: כל תשובה מיוצגת על ידי המספר ;1 כל אי-תשובה ל-.0 הסדר, הידוע רק לבוב ולאליס, הופך לצופן.
ומה אם מצותתת, המכונה בדרך כלל איב, מנסה למדוד את קיטוב הפוטונים? בוב ואליס יכולים לגלות זאת על ידי השוואות של כמה ממדידותיהם. אם הן אינן זהות, סימן שתופעת השזירה הופרעה, כלומר מישהו ניסה לצותת.
ניו יורק טיימס {הופיע בעיתון הארץ, 16/5/2000{
אתר הידען היה עד סוף 2002 חלק מפורטל IOL מקבוצת הארץ
