Research Article

אלגוריתם קוונטי יעיל לקריפטוגרפיה פוסט-קוונטית

DOI:

10.3791/68934

⸱

November 14th, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electronics, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 2MAKAUT, West Bengal, India, 3Department of Computer Science, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 4Narula Institute of Technology, West Bengal, India, 5Department of Computer Sciences, College of Computer and Information Sciences, Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riyadh, Saudi Arabia, 6Department of Physics, College of Sciences, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia, 7Department of Computer Science and Artificial Intelligence, College of Computing and Information Technology, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול זה מתאר יישום של "קריפטוגרפיה מבוססת קוד" עם מעגל קוונטי מפורש לקריפטוגרפיה קוונטית יעילה עם מפתח אסימטרי גדול על ידי שימוש באריתמטיקה קוונטית עם טרנספורמציה קוונטית של פורייה.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מימוש מחשבים קוונטיים יכול להשפיע באופן משמעותי על החברה ועל הביטחון העולמי במובנים רבים. כמות ניכרת של מחקר נעשתה על קריפטוגרפיה קוונטית - מכונות המנצלות תחושות ממוחשבות קוונטיות כדי לפתור בעיות מתמטיות שאינן נגישות למחשבים קונבנציונליים. הדור השישי המשגשג של 'מחשוב קוונטי' יכול לשבור ולאיים על חלק גדול מההגנה והכלכלה הדיגיטלית הנוכחית, אך עשוי לספק חלופות קריפטוגרפיות. לפיכך, אנו מסוגלים לייעל תהליכים שונים בצורה יעילה יותר, לשפר את היעילות ולאפשר סימולציות מכניות קוונטיות מהירות יותר לתכנון טוב יותר של תרופות וחומרים, בין היתר. מחקר זה מתמקד ביישום אלגוריתם קריפטוגרפי פוסט-קוונטי על ידי חיבור כפל קוונטי של מספרים גדולים עם מחולל מספרים אקראיים קוונטיים (QRNG). גישה קריפטוגרפית מבוססת קוד המשתמשת בטרנספורמציה קוונטית של פורייה (QFT) נלקחת עם מפתח אסימטרי ענק במעגל קוונטי מפורש כדי להקים מערכת תקשורת קוונטית מאובטחת. בעבודת מחקר זו, 'טקסט רגיל' (נתונים קלאסיים) הוצפן באמצעות QRNG באמצעות מכפיל קוונטי בעזרת אריתמטיקה קוונטית. כתוצאה מכך, הנתונים הקוונטיים המתקבלים עם נתוני QRNG יועברו לקצה המקלט דרך הערוץ הקוונטי, שם המחלק הקוונטי מפענח את אותו הדבר. יתר על כן, תוצאות סימולציה של IBM Qiskit של כל רכיב מיועד וניתוח השוואתי עם עבודות ואלגוריתמים קודמים מצביעים על חוסן ואמינות רבה יותר של אלגוריתם ההוכחה הקוונטית המוצע כאשר בוחנים התקנים קוונטיים גדולים של קיוביט. העבודה מספקת כיוון רב ערך להתפתחויות נוספות בתחום זה וסוללת את הדרך ליישומים עתידיים של מחשוב קוונטי בקריפטוגרפיה פוסט-קוונטית.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חישוב קוונטי מבוסס על ביטים קוונטיים (קיוביטים), השונים באופן מהותי מהביטים הקלאסיים. בעוד שביט קלאסי יכול להתקיים רק במצב 0 או 1, קיוביט יכול לייצג 0, 1 או כל סופרפוזיציה ליניארית של שני המצבים בו זמנית. תכונה זו מאפשרת למערכות קוונטיות לאחסן ולעבד מספר עצום של ערכים במקביל ולא ברצף. עם המדידה, הקיוביט קורס למצב מוגדר, ומספק את התוצאה החישובית. ההקבלה המובנית של העיבוד הקוונטי מציעה האצה משמעותית, כאשר הערכות מצביעות על כך שמחשבים קוונטיים עשויים לעלות על מערכות קלאסיות בכמה סדרי גודל. התקדמות כזו מציבה אתגרים רציניים לאבטחת טכניקות קריפטוגרפיות מסורתיות, ומחייבות פיתוח שיטות קריפטוגרפיות שנשארות מאובטחות בנוכחות חישוב קוונטי

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מאמר זה משתמש באלגוריתם, תוך שימוש באריתמטיקה קוונטית ובטרנספורמציית פורייה מהירהקוונטית 13, כדי לפענח את ההודעה על ידי חלוקת הטקסט המוצפן במפתח הסימטרי. המטרה העיקרית של מחקר זה היא להדגים את היישום הקוונטי של קריפטוגרפיה מבוססת מפתח סימטרי על ידי יצירת מפתח אקראי, שימוש באלגוריתם כפל גדול וביצוע מספר רב של חלוקות בסביבת IBMQ v1.7.4. איור 1 מתאר את התהליך מקצה לקצה למימוש הצפנה מבוססת מפתח סימטרי. ההנחה היא שהמפתח הסימטרי והטקסט המוצפן מועברים ממכשיר המקור (שבו מתרחשת הצפנה) למכשיר היעד (שבו מתרחש פענוח) דרך ערוץ קוונטי. הציוד והתוכנה המשמשים מפורטים בטבלת החומרים....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כל הרכיבים של המעגל הנ"ל (איור 1) יושמו באמצעות קוד Python (קבצים משלימים 1-3) עם IBM Qiskit ובוצעו בסימולטור מקומי ו-IBMQ. עם זאת, הם אינם מסוגלים לבצע במכשירים קוונטיים בגלל היעדר קיוביטים זמינים בחינם במכשירים קוונטיים קיימים. פלט ההיסטוגרמה בסימולטורים המקומי ו-IBMQ עבור כל רכיבי המפתח מתואר להלן.

QuRNG
המעגל בוצע מספר פעמים בסימולטור, ונצפה הפלט האקראי הצפ.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ההצלחה של פרוטוקול ההצפנה הקוונטית המוצע מסתמכת על שלושה שלבים קריטיים: יצירת מספרים אקראיים קוונטיים (QRNG), פעולות אריתמטיות קוונטיות באמצעות טרנספורמציה קוונטית מהירה של פורייה (QFFT ו-QIFFT), וערבוב וערבוב מקשים קוונטיים. שלב ה-QRNG מבסס את יסודות האבטחה על ידי יצירת מפתחות סימטריים אקראיים באמת3. הפעולות האריתמטיות, המבוצעות באמצעות QFFT מבוקר ושערי QFFT הפוכים, מבטיחות הצפנה ופענוח מדויקים, בעוד שמעגלי הדשדוש שומרים על שלמות המפתח במהלך השידור דרך הערוץ הקוו.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגוד אינטרסים.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי פרויקט תמיכה בחוקרים של אוניברסיטת הנסיכה נורה בינת עבד אל-רחמן (PNURSP2025R755), אוניברסיטת הנסיכה נורה בינת עבד אל-רחמן, ריאד, ערב הסעודית. המחברים מודים לדיקן ללימודים מתקדמים ומחקר מדעי באוניברסיטת בישה על תמיכתם בעבודה זו באמצעות תוכנית התמיכה במחקר המסלול המהיר.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100NVIDIAכרטיס מסך 80G
ibm_brisbaneיבמhttps://quantum.ibm.com/המחשב הקוונטי המוליך-על ממשפחת IBM Quantum Eagle.
python3.10קרן התוכנה של פייתוןhttps://www.python.org/downloads/release/python-3100/
קיסקיטיבמhttps://www.ibm.com/quantum/qiskitSDK בקוד פתוח לעבודה עם מחשבים קוונטיים ברמת מעגלים קוונטיים מורחבים, אופרטורים ופרימיטיבים.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Quantum cryptography in practice. Elliott, C., Pearson, D., Troxel, G. Proc Conf Appl Technol Archit Protocols Comput Commun, 2003, 227-238 (2003).
  2. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Bennett, C. H., Brassard, G. Proc IEEE Int Conf Comput Syst Signal Process, 1 (1), 175-179 (1984).
  3. Techateerawat, P. A review on quantum cryptography technology. Int Trans J Eng Manage Appl Sci Technol.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Quantum AlgorithmPost Quantum CryptographyQuantum ComputingQuantum CryptographyQuantum Fourier TransformationQuantum Random Number GeneratorQuantum MultiplicationQuantum CircuitQuantum CommunicationIBM Qiskit

Related Articles