ارتباطات کوانتومی چیست و چرا میلیاردها دلار روی آن سرمایه‌گذاری می‌شود

به گزارش پیوست؛ قانون chip and science act شامل ۳۹ میلیارد دلار یارانه برای تولید تراشه در خاک ایالات متحده به همراه ۲۵% اعتبار مالیاتی سرمایه‌گذاری برای هزینه‌های تجهیزات تولید و ۱۳ میلیارد دلار برای تحقیق در زمینه نیمه‌رساناها و آموزش نیروی کار است که مجموعا ۲۸۰ میلیارد دلار بودجه احتیاج دارد.

سرمایه‌گذاری میلیارد دلاری روی ارتباطات کوانتومی به دلیل نیاز به امنیت سایبری مقاوم در برابر رایانه‌های کوانتومی و ایجاد زیرساخت‌های ارتباطی نسل آینده است. رایانه‌های کوانتومی در آینده می‌توانند رمزنگاری کلاسیک را بشکنند، اما توزیع کلید کوانتومی (QKD) امکان تبادل کلیدهای رمزگذاری‌شده را با امنیت فیزیکی تضمین‌شده فراهم می‌کند. این فناوری برای دولت‌ها، سازمان‌های مالی، نظامی و مخابراتی اهمیت حیاتی دارد، زیرا مانع از استراق سمع و حملات سایبری می‌شود.

علاوه بر امنیت، اینترنت کوانتومی به‌عنوان یک تحول بنیادی در ارتباطات در حال توسعه است. این شبکه امکان اتصال رایانه‌های کوانتومی، سنجش فوق‌دقیق، و انتقال اطلاعات با تله‌پورت کوانتومی را فراهم می‌کند. کشورهایی مانند چین، آمریکا و اتحادیه اروپا با سرمایه‌گذاری سنگین، در تلاشند تا برتری استراتژیک و اقتصادی خود را در این حوزه حفظ کنند. این فناوری نه‌تنها امنیت دیجیتال را متحول می‌کند، بلکه می‌تواند کاربردهای مهمی در پزشکی، علوم مواد و هوش مصنوعی داشته باشد.

ارتباطات کوانتومی چیست؟

ارتباطات کوانتومی نسل جدیدی از فناوری است که با بهره‌گیری از ذرات کوانتومی بستری ایمن برای انتقام پیام‌ها در برابر هک و نفوذ میسر می‌کند. رمزنگاری کوانتومی یکی از شیوه‌های برقراری ارتباط ایمن است. پروتکل‌ها رمزنگاری جدیدی را ایجاد می‌کند که تضمین‌ می‌کند تنها فرستنده و گیرنده مجاز قادر به دسترسی به اطلاعات هستند. یکی از معروف‌ترین پروتکل‌ها، پروتکل BB84 است که بر اساس اصول کوانتومی برای تبادل کلیدهای رمزنگاری استفاده می‌شود.

شاید اینترنت کوانتومی شبیه به اینترنت استاندارد کنونی به نظر برسد، اما ارسال کیوبیت‌ها از طریق یک کانال کوانتومی به جای یک کانال کلاسیک به معنای اعمال نفوذ ذرات در کوچک‌ترین مقیاس آن‌هاست. پایگاه اطلاعاتی داده و آمار، Statista طبق تحقیقاتی دریافت، تعداد دستگاه‌های هوشمند مثل تبلت، رایانه و حتی خانه‌های هوشمند به این شبکه کوانتومی تا سال ۲۰۳۰ حدود ۳۰ میلیارد خواهد رسید. در نتیجه حجم عظیمی از داده‌ها تولید خواهد شد.

طبق گزارش IDC، تولید و تکثیر داده‌های جهانی از ۶۴ زتابایت در سال ۲۰۲۰ به ۱۸۱ زتابایت تا اواخر سال ۲۰۲۵ افزایش خواهد یافت. در کمتر از یک دهه پروتکل‌های رمزنگاری عمومی فعلی شکسته ‌خواهند شد. در سال‌های اخیر، تأمین مالی دولتی برای ارتباطات کوانتومی به شدت افزایش یافته است. در میان تعهدات عظیم چین به فناوری‌های کوانتومی، از جمله تشکیل یک آزمایشگاه ملی کوانتومی به ارزش ۱۰ میلیارد دلار و راه‌اندازی اولین ماهواره کوانتومی در سال ۲۰۱۶ یک شبکه کوانتومی به طول ۲۹۰۰ مایل وجود دارد که بیش از ۷۰۰ فیبر نوری را با دو لینک ماهواره به زمین ترکیب می‌کند.

راه‌حل Quantum Flagship اروپا، به ارزش بیش از یک میلیارد دلار، در سال ۲۰۱۸ با یک جدول زمانی ده ساله راه‌اندازی شد و ۲۵ درصد از کل بودجه برای ارتباطات کوانتومی  به آن اختصاص داده شده است. بازنگری در فناوری‌های امنیت ارتباطات در حال انجام است و پیش‌بینی می‌شود که بازار ترکیبی ارتباطات کلاسیک و کوانتومی تا سال ۲۰۲۳ به ۱۰ میلیارد دلار برسد. برای بهره‌برداری از این بازار در حال رشد، سرمایه‌گذاران باید با بسیاری از عملکردها و موارد استفاده ارتباطات کوانتومی و عواملی که باعث پذیرش این فناوری‌ها در اقتصاد جهانی خواهند شد، آشنا شوند.

تهدیدات در حال تغییر، پاسخ‌های جدید

از زمان معرفی الگوریتم شُر در سال ۱۹۹۴، دو پروتکل اصلی رمزنگاری عمومی RSA و دیفی هلمن در نهایت توسط کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند شکسته خواهند شد. سه دهه بعد، آن لحظه سرنوشت‌ساز به سرعت در حال نزدیک شدن است. دکتر میشل موسکا از دانشگاه واترلو پیش‌بینی می‌کند که کامپیوترهای کوانتومی تا سال ۲۰۳۱ احتمال ۵۰ درصدی برای شکستن کلیدهای بسیار امن RSA-2048 خواهند داشت.
در پاسخ به این تهدیدات، دو رویکرد عمده شکل گرفته است، یکی کلاسیک و دیگری مبتنی بر فناوری‌های کوانتومی.

رمزنگاری‌پساکوانتومی (PQC)

شامل پروتکل‌های رمزنگاری است که در برابر کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک مقاوم هستند. این فناوری در حال حاضر توسط موسسه ملی استانداردها و فناوری ایالات متحده (NIST) و همچنین سازمان‌های مربوطه درچین در حال توسعه است. PQC از مسائل ریاضی نوین استفاده می‌کند که در برابرحملات کوانتومی مقاوم هستند. این پروتکل‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بر روی کامپیوترهای کلاسیک و شبکه‌های موجود اجرا شوند و اغلب می‌توانند به عنوان یک به‌روزرسانی نرم‌افزاری اعمال شوند. در برخی موارد، ممکن است پهنای باند یا قدرت پردازش مرکزی کافی نباشد و نیاز به ارتقاء سخت‌افزاری وجود داشته باشد.RSA به عنوان یک الگوریتم غیرقابل شکستن تصور می‌شد تا زمانی که این فرضیه به چالش کشیده شد. به همین ترتیب، طراحان پروتکل‌های PQC نمی‌توانند تضمین کنند که یک ریاضیدان باهوش در نهایت ضعف‌هایی را با ترکیب کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی پیدا نخواهد کرد. به دلیل این تهدیدات قریب‌الوقوع، PQC باید با قابلیت «چابکی رمزنگاری» (cryptoagility) پیاده‌سازی شود.

این رویکرد به سازمان‌ها این امکان را می‌دهد که در صورت بروز آسیب‌پذیری‌های جدید، به سرعت به پروتکل‌های امن‌تر منتقل شوند و از اطلاعات حساس خود محافظت کنند.

دو رکن اصلی تامین امنیت ارتباطات کوانتومی از فناوری‌های کوانتومی

ارتباطات کوانتومی از فناوری‌های کوانتومی برای تأمین امنیت ارتباطات استفاده می‌کند و این رویکرد بر دو رکن اصلی استوار است؛

توزیع کلید کوانتومی (QKD – Quantum Key Distribution)

این فناوری از اصول مکانیک کوانتومی برای توزیع کلیدهای رمزنگاری استفاده می‌کند. بر خلاف روش‌های کلاسیک که امنیت آن‌ها وابسته به سختی مسائل ریاضی است، QKD امنیت را با استفاده از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و اصل اندازه‌گیری در مکانیک کوانتومی تضمین می‌کند. در این روش، اگر یک مهاجم تلاش کند اطلاعات کلید را استراق سمع کند، این دخالت منجر به تغییر وضعیت کوانتومی فوتون‌ها می‌شود و قابل شناسایی خواهد بود.

مولد اعداد (QRNG)

مولد اعداد تصادفی کوانتومی (QRNG – Quantum Random Number Generator) نیز نقش بسیار مهمی در تأمین امنیت ارتباطات کوانتومی دارد. در واقع، QRNG یکی از اجزای کلیدی برای توزیع کلید کوانتومی (QKD) و رمزنگاری کوانتومی است. در QKD، امنیت سیستم به تصادفی بودن کلید بستگی دارد. QRNG با استفاده از پدیده‌های کوانتومی مانند نویز کوانتومی یا برهم‌نهی ذرات، اعداد تصادفی واقعی (True Random) تولید می‌کند که کاملاً غیرقابل پیش‌بینی هستند. این ویژگی، امنیت QKD را تضمین می‌کند.

QRNG به‌عنوان یک جزء حیاتی در زنجیره امنیتی ارتباطات کوانتومی، به بهبود امنیت QKD و رمزنگاری کوانتومی کمک می‌کند. ترکیب QRNG، QKD و الگوریتم‌های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم (PQC) می‌تواند امنیت ارتباطات را در عصر پساکوانتومی تضمین کند.

 کاربرد اصلی شبکه کوانتومی

شبکه های کوانتومی که به عنوان اینترنت کوانتومی هم شناخته می‌شوند، هنوز مسیر طولانی برای پیشرفت در پیش دارندهمانطور که پیش تر گفته شد، انتقال امن داده‌ها یکی از بزرگترین مزایای شبکه کوانتومی است. ارتباطات معمولا از طریق رمزنگاری نامتقارن تامین می‌شود. ابتدا فرستنده یک کلید عمومی مبتنی بر یک کلید خصوصی تولید و ارسال می‌کند سپس گیرنده پیام را با استفاده از کلید عمومی رمزگذاری می‌کند و در نهایت فرستنده پیام را با استفاده از کلید خصوصی رمزگشایی می‌کند. در این روش، حمله‌کننده همیشه می‌تواند سعی کند کلید خصوصی را بر اساس کلید عمومی حدس بزند. در مورد RSA، کلید خصوصی در عوامل اول کلید عمومی پنهان است که یک کامپیوتر کوانتومی آینده قادر خواهد بود با استفاده از الگوریتم شُر آن را تجزیه کند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای شبکه کوانتومی عبارتند از:

1. امنیت ارتباطات (Quantum Secure Communication)

توزیع کلید کوانتومی (QKD): تضمین امنیت ارتباطات از طریق کلیدهای رمزنگاری غیرقابل استراق سمع.
اینترنت کوانتومی امن: ایجاد ارتباطات کاملاً ایمن بین مراکز داده، سازمان‌های دولتی و سیستم‌های حساس.

2. رایانش توزیع‌شده کوانتومی (Distributed Quantum Computing)

امکان اتصال رایانه‌های کوانتومی در مکان‌های مختلف برای انجام پردازش‌های پیچیده به‌صورت موازی.
افزایش قدرت پردازش و کاهش زمان حل مسائل محاسباتی سخت.

3. سنجش و اندازه‌گیری فوق‌دقیق (Quantum Sensing & Metrology)

استفاده از شبکه‌های کوانتومی برای ایجاد حسگرهای فوق‌حساس در حوزه‌هایی مانند زمین‌شناسی، نجوم و زیست‌پزشکی.
امکان تشخیص میدان‌های مغناطیسی، گرانشی و الکتریکی با دقتی فراتر از حد کلاسیک.

4. همگام‌سازی فوق‌دقیق (Quantum Clock Synchronization)

ایجاد ساعت‌های کوانتومی همگام برای کاربردهای حساس مانند سیستم‌های مالی، مخابرات و ناوبری GPS کوانتومی.
افزایش دقت همگام‌سازی در مقایسه با روش‌های سنتی مانند GPS.

5. شبیه‌سازی کوانتومی (Quantum Simulation)

امکان شبیه‌سازی دقیق مولکول‌ها و واکنش‌های شیمیایی برای توسعه داروهای جدید و بهینه‌سازی مواد.
استفاده در فیزیک مواد برای مطالعه پدیده‌های پیچیده مانند ابررسانایی و حالت‌های کوانتومی ماده.

6. اینترنت کوانتومی (Quantum Internet)

توسعه زیرساخت‌هایی برای اتصال سیستم‌های کوانتومی در سراسر جهان.
برقراری ارتباطات کوانتومی بدون نیاز به اعتماد به واسطه‌های کلاسیک.

7. امنیت سایبری و ضدجاسوسی (Cybersecurity & Anti-Surveillance)

جلوگیری از استراق سمع و حملات سایبری با استفاده از قوانین فیزیکی کوانتوم.
ایجاد پروتکل‌های احراز هویت کوانتومی برای افزایش امنیت سیستم‌های دیجیتال.

 کوانتوم راهی برای تامین امنیت پروتکل‌های رمزنگاری عمومی

داده‌ها نیاز به امنیت دارند. پروتکل‌های رمزنگاری عمومی فعلی در معرض خطر شکستن در کمتر از یک دهه هستند.خوشبختانه، بازنگری در فناوری‌های امنیت ارتباطات در حال انجام است و پیش‌بینی می‌شود که بازار ترکیبی ارتباطات کلاسیک و کوانتومی تا سال ۲۰۳۰ به ۱۰ میلیارد دلار برسد. برای بهره‌برداری از این بازار در حال رشد، سرمایه‌گذاران باید با بسیاری از عملکردها و موارد استفاده ارتباطات کوانتومی و عواملی که باعث پذیرش این فناوری‌ها در اقتصاد جهانی خواهند شد، آشنا شوند.

درایور‌های پذیرش ارتباطات کوانتومی

طبق گزارش شرکت BGP سه موج از پذیرش فناوری‌های ارتباطات کوانتومی را شناسایی شده است:

موج اول از سال (۲۰۱۵ تا ۲۰۲۵) که تحت تأثیر چندین عامل قرار دارد: تأمین مالی دولتی و کاربردها در بخش‌های دولتی و نظامی، گسترش تجاری QKD (توزیع کلید کوانتومی) و افزایش نفوذ چیپ‌های QRNG (تولید عدد تصادفی کوانتومی) در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، کامپیوترهای شخصی و مراکز داده.

موج دوم (۲۰۲۵ تا ۲۰۳۰) شاهد پذیرش بیشتر توسط شرکت‌های خصوصی و افزایش نفوذ چیپ‌های QRNG در زیرساخت‌ها و دستگاه‌های IoT (اینترنت اشیاء) خواهد بود.

موج سوم (۲۰۳۰ و فراتر از آن) تحت تأثیر ظهور فناوری‌های جدید یا بهبود یافته‌ای مانند تقویت‌کننده‌ها، حافظه‌ها و الگوریتم‌های بهتر تصحیح خطا خواهد بود که کیفیت سیگنال فعلی را کاهش می‌دهند و امکان استقرار یک شبکه گسترده را فراهم می‌کنند.

موج‌های اول و دوم برای بخش دولت و دفاع، فناوری و مخابرات اهمیت زیادی خواهند داشت:

تعداد کمی از دولت‌ها فناوری کوانتومی را پذیرفتند و درحال توسعه آن هستند.آنها میلیاردها دلار سرمایه‌گذاری می‌کنند تا زیرساخت‌ها را بسازند و فعالیت‌های تجاری در ارتباطات کوانتومی را آغاز کنند. کاهش تهدیدات کوانتومی یکی از اولویت‌های اصلی کشورها است. برای مثال در ایالات متحده، قانون آمادگی امنیت سایبری محاسبات کوانتومی نیازمند این است که داده‌های دولتی باید مقاوم در برابر کوانتوم باشند. وضعیتی که یک سازمان تنها از طریق ترکیبی از رویکردهای کلاسیک و کوانتومی می‌تواند به آن دست یابد.

در همین حال، وزارت انرژی ایالات متحده یک سیستم QKD با گره‌های مورد اعتماد را در یک شرکت برق در تنسی آزمایش کرده است. اتحادیه اروپا نیز از طریق ابتکار Euro-QCI یک پیاده‌سازی وسیع و قاره‌ای را تأمین مالی می‌کند که لینک‌هایی در هلند به طور عملیاتی وجود دارد. از چین نیز انتظار می‌رود با استفاده از سرمایه‌گذاری‌های عمومی، موقعیت پیشرو خود را حفظ کند و بازار محلی و استانداردهای PQC خود را تقویت کند که با استانداردهای NIST رقابت خواهد کرد.

شرکت‌های فناوری و مخابرات در حال حاضر خدمات ارتباطات کوانتومی تجاری ارائه می‌دهند و در تلاش استانداردسازی پیشرو هستند. شرکت SK Telecom و ID Quantique از شرکت‌کنندگان فعال در گروه‌های توسعه استاندارد مانند ITU-T، IEEE و ETSI هستند.

ما به سرعت وارد دورانی از عدم قطعیت رمزنگاری می‌شویم. بیش از چهار دهه ثبات به لطف RSA و Diffie-Hellman، دولت‌ها، کسب‌وکارها و سرمایه‌گذاران باید برای آینده ارتباطات کوانتومی و سطح جدیدی از انتقال امن داده‌ها آماده شوند. رمزنگاری پساکوانتومی و ارتباطات کوانتومی احتمالاً تا سال 2030 جایگزین پروتکل‌های امروزی شوند. هر دولت و شرکتی باید یک یا چند مورد از این فناوری‌ها را برای حفظ امنیت ارتباطات خود پیاده‌سازی کند.