پول کوانتومی

پول کوانتومی


حتی با وجود فناوری امروز هم خیلیها پول نقد را به هر چیز دیگری ترجیح میدهند. فیزیکدانان هم از این قاعده مستثنی نیستند، با این تفاوت که آنها پول کوانتومی را به همه چیز ترجیح میدهند.
برای خیلی از افراد، پول نقد چیز دیگری است. دلیل این امر شاید این باشد که هنگامیکه بانکها با بحران ورشکستگی مواجه هستند، میتوانید آن را زیر بالش خود پنهان کنید. شاید هم دلیل آن آزادی عملی باشد که پول نقد به شما اعطا میکند: توانایی زندگی کردن بدون نیاز به بانکها یا کارتهای اعتباری.
به گزارش نیوساینتیست، فیزیکدانان کوانتومی هم خیلی راجع به پول نقد فکر میکنند. اما منظور آنها پولهای قدیمی کاغذی نیست، بلکه منظور آنها پول کوانتومی است. پول کوانتومی شبیه کارتهای اعتباری یا اسکناسهای کاغذی نیست. آنها تنها اطلاعات هستند، ترکیبی از بیتهای معمولی و بیتهای کوانتومی که کیوبیت خوانده میشوند. کیوبیتها با قوانین مکانیک کوانتومی کنترل میشوند و میتوانند در آن واحد، هر دو مقدار 0 و 1 را داشته باشند.
از آنجایی که پول کوانتومی تنها اطلاعات است، میتواند مانند یک تصویر دیجیتال یا یک فایل متنی ذخیره و منتقل شود. اما به دلیل اینکه ویژگیهای کوانتومی دارد، نمی توان آن را کپی کرد. مانند پول نقد کاغذی و بر خلاف یک کارت اعتباری، هر کسی که آن را در اختیار داشته باشد، مالک انحصاری آن محسوب میشود. اما این تنها استفاده پول کوانتومی نیست. برای فیزیکدانان، پول کوانتومی یک نوع سرگرمی به منظور مطالعه ویژگیهای عجیب مکانیک کوانتومی نیز به شمار میرود.
ایده اولیه
ایده پول کوانتومی نخستین بار در سال 1968 / 1347، از سوی استفان وایزنر پیشنهاد شد. وی در نظر داشت اسکناسی خلق کند که به نوعی بتواند تعدادی فوتون را در خود ذخیره کند. به عنوان اجسام کوانتومی، فوتونها هرگز قابل جعل کردن نیستند. بر اساس فیزیک کوانتومی، اجسام کوانتومی را هرگز نمیتوان کاملا کپی کرد. هرگونه اندازهگیری، قابلیت اختیار کردن همزمان 0 و 1 را برای یک کیوبیت از بین میبرد، و آن را مجبور میکند تا یکی از مقادیر 0 یا 1 را اختیار کند.
پول کوانتومی وایزنر برای مدت 40 سال در حد یک ایده نظری باقی ماند و عملا فراموش شد، اگرچه کارهای وی در زمینه استفاده از مکانیک کوانتومی برای ارسای پیامهای رمز اعتبار زیادی کسب کرد. تا اینکه سال گذشته اسکات آرونسون، دانشمند علوم رایانه انستیتو فناوری ماساچوست، ام.آی.تی، رویکرد جدیدی را پیشنهاد کرد. در این روش به جای اسکناس، بر روی رشتهای از اطلاعات که بیانگر پول کوانتومی بود، تمرکز شده بود.
حفاظت اطلاعات
دو روش برای حفاظت از اطلاعات وجود دارد. روش نخست ایمنی اطلاعاتی نام دارد که از نظر ریاضی کاملا امن است، اما دستیابی به این نوع ایمنی خیلی دشوار است. به همین دلیل معمولا از روش دوم که ایمنی محاسباتی نامیده میشود، استفاده میشود. در این روش، اطلاعات بوسیله کدی که شکستن آن بسیار دشوار است، محافظت میشود. نمونهای از این روش الگوریتم RSA است که به صورت گسترده، برای رمزگذاری تراکنشهای تجارت الکترونیک و سایر اشکال ارتباطی از آن استفاده میشود.
الگوریتم RSA مثالی از رمزگذاری کلید عمومی (Public Key) است. در این روش رمزگذاری پیغامها بسیار ساده است و برای هر شخصی قابل استفاده است. با این وجود، فرایندکشف رمز سری باقی میماند و تنها اشخاصی که رمز را میدانند، قادر به خواندن پیغامهای رمزگذاری شده هستند. امنیت رمزگذاری کلید عمومی، به نوع خاصی از روابط ریاضی وابسته است که تابع دریچه (Trapdoor Function) نامیده میشود. محاسبه این تابع در یک جهت آسان است، اما محاسبه آن در جهت عکس بسیار دشوار است.
آرونسون نیز در ایده خود از روش دوم استفاده کرد، یعنی طرحی را برای پول کوانتومی ارائه کرد که صرفا ایمنی محاسباتی داشته باشد. وی اساس طرح خود را بر ریاضیات نامتقارن مورد استفاده در رمزگذاری کلید عمومی قرار داد.
در طرح آرونسون چیزی که پول کوانتومی کلید عمومی نامیده میشود، از دو بخش تشکیل شده است. بخش اول وضعیت کوانتومی است. این بخش میتواند گروهی از فوتونها باشد که دارای جهت قطبی شدگی خاصی هستند، که توسط بانک عامل مخفی نگه داشته میشود. بخش دوم مداری است که اصالت مجموعه قطبی شده را به عنوان یک پول کوانتومی بررسی میکند. چنین مداری در تراکنشهای کوانتومی، معادل اشعه فرابنفش برای اسکناسهای امروزی است.
این مدار همان نقش تابع دریچه را در رمزگذاری کلید عمومی ایفا میکند. فرایند تایید رمزی که این مدار از آن استفاده میکند آسان است، اما فرایند کشف رمز مورد استفاده برای قطبیسازی فوتونها دشوار است. امنیت طرح آرونسون، تماما به دشواری انجام چنین کاری وابسته است.
امن یعنی چقدر؟
آرونسون و همکارانش در تلاش برای نشان دادن اینکه چگونه میتوان چنین مدار تایید کنندهای را ساخت، با مشکلات متعددی مواجه هستند. عدم وجود یک توافق کلی در باره اینکه چگونه میتوان کارها را از نظر محاسباتی ایمن ساخت، مشکلات را افزایش داده است. آرام هارو، ریاضی فیزیکدان دانشگاه بریستول انگلستان میگوید: «ما به یک فرض محتمل نیاز داریم تا امنیت کار خود را بر اساس آن قرار دهیم. اما متاسفانه نشان دادن امنیت روشهای مورد استفاده خیلی دشوار است.»
تابستان گذشته آرونسون طرحی را ارائه کرد که ادعا میکرد بر اساس آن، میتوان یک پول کوانتومی تولید کرد که هر کسی قادر باشد اصالت آن را بررسی کند و تنها بانکها قادر به تکثیر آن باشند. اما این طرح پنج ماه بیشتر دوام نیاورد و یک گروه از فیزیکدانان توانستند اثباتی برای نادرستی آن ارائه دهند.
ایرادی که آنها در طرح آرونسون یافتند این بود که الگوریتم تایید پول، یک بررسی کامل از قطبیشدگی فوتونها را انجام نمیدهد. بنابراین یک هکر برای فریب دادن مدار تایید کننده، نیازی به دانستن وضعیت کوانتومی اصلی نداشت. برای جعل کردن پول کوانتومی، تنها لازم بود تا هکر یک وضعیت به اندازه کافی نزدیک به وضعیت اصلی را پیدا کند، تا بتواند مدار را فریب دهد.
برای حل این مشکل، آرونسون و همکارانش از یک رویکرد جدید استفاده کردند. در این روش یک وضعیت کوانتومی ایجاد میشود که حتی برای بانک تولیدکننده آن محرمانه است. بانک هنگام تولید پول، بخشی از وضعیت کوانتومی محرمانه را اندازهگیری میکند و بقیه آن را دستنخورده باقی میگذارد. مدار تایید کننده از این بخش دست نخورده برای تایید اصالت پول استفاده میکند. نکته جالب توجه این روش این است که جعل کردن پول حتی برای خود بانک نیز بسیار دشوار است! اما مشکل اینجاست که هنوز کسی نتوانسته است ایمنی کامل این روش را اثبات کند.
حتی اگر ساخت پول کوانتومی به سرانجام نرسد، تلاشهای انجام شده در این راه بینش جدیدی را از رفتار وضعیتهای کوانتومی به فیزیکدانان بخشیده است. برخی از فیزیکدانان از این ایدهها استفاده میکنند تا محدودیتهای آنچه را ما میتوانیم درباره یک وضعیت کوانتومی بدانیم، کشف کنند. مکانیک کوانتومی میگوید که شما نمیتوانید یک وضعیت را بدون از بین بردن آن اندازهگیری کنید. اما گروهی که بر روی پول کوانتومی کار میکنند نشان دادهاند که تایید یک وضعیت کوانتومی از نظر فیزیکی امکانپذیر است، حتی اگر چیزی درباره آن وضعیت ندانید. شما میتوانید اطلاعاتی را درباره این وضعیت به دست آورید، بدون اینکه آن را از بین ببرید.