تم تحقيق رابط تشفير كمي قياسي عبر أقمار صناعية صغيرة

عصر جديد للتشفير الكمي

يُعد تشفير البيانات المنقولة مصدر قلق متزايد، إذ تعتمد وظائف حيوية متزايدة على روابط بيانات آمنة ومؤمنة. وفي سياق البيانات العسكرية والدبلوماسية وحتى التجارية، لا يعني الأمان فقط ضمان عدم وصول أي شخص إلى البيانات، بل يعني أيضًا معرفة ما إذا كان أي طرف ثالث يحاول التنصت.

وهذا هو شيء تم تصميم التشفير الكمي خصيصًا للقيام به، حيث يتم اكتشاف أي تداخل تلقائيًا بفضل القواعد الأساسية لفيزياء الكم (انظر أدناه).

ومع ذلك، فإن إدارة نقل التشفير الكمي لمسافات طويلة كانت تشكل تحديًا تاريخيًا، مما يحد من فائدة هذه التكنولوجيا.

ويبدو أن هذه مشكلة من الماضي، إذ تمكن باحثون صينيون من إنشاء رابط قمر صناعي كمي بطول 12,900 كيلومتر (8,000 ميل) بين الصين وجنوب أفريقيا.

تم تحقيق هذا الإنجاز من خلال جهد تعاوني ضخم جمع الباحثين في مختبر هيفاي الوطني، والأكاديمية الصينية للعلوم، ومعهد جينان لتكنولوجيا الكم، ومعهد بكين لعلوم وتكنولوجيا الإلكترونيات، وجامعة ستيلينبوش (جنوب أفريقيا)، وشركة CAS Quantum Network Co. Ltd، و شركة كوانتم سي تي تيك المحدودة.

وقد نشرت هذه النتائج في مجلة Nature¹، تحت عنوان "توزيع المفاتيح الكمية في الوقت الفعلي باستخدام الأقمار الصناعية الدقيقة".

شرح التشفير الكمي

التشفير الكمي، أو توزيع مفتاح الكم (QKD)، ليس تشفيرًا يعتمد على قدرات الحوسبة الكمومية (سيُطلق عليه هذا تشفير الكم).

ما يفعله التشفير الكمومي هو إنشاء مفاتيح تشفير لتوفير السرية، باستخدام فوتونات فردية لنقل وتشفير المفاتيح.

ما يميز هذه التقنية هو استحالة اعتراض الفوتونات المفردة أو نسخها أو قياسها دون تغيير حالتها الكمومية. وهو أمرٌ يستحيل تغييره إطلاقًا، إذ إن مراقبة الجسيمات الكمومية ستؤدي إلى تغيير خصائصها، وهي قاعدة ثابتة.

المصدر قصيد

ونتيجة لذلك، فمن المؤكد بالنسبة للمستخدمين المتواصلين أن لا أحد يحاول الوصول إلى المفتاح، ناهيك عن تمكنه من القيام بذلك.

وهذا يجعل هذه التقنية خيارًا قويًا للغاية لنقل البيانات الآمنة المهمة، وخاصة لأغراض الأمن القومي.

هذه ليست فكرة جديدة، إذ يستند المفهوم إلى عمل يعود إلى عام ١٩٨٤، ولكنه يُطبّق الآن على نطاق واسع. لا تنقل هذه الطريقة البيانات فعليًا، بل هي ببساطة مفتاح فك تشفير البيانات المنقولة عبر الوسائل التقليدية.

(السابق) حدود التشفير الكمي

حتى الآن، يتطلب التشفير الكمي مجموعة معقدة للغاية من البنية التحتية المخصصة، مع الألياف البصرية المخصصة.

هذا مجالٌ تتصدره الصين، بشبكةٍ كمومية أرضيةٍ بطول 2,000 كيلومتر، قائمةٍ على الألياف الضوئية، تربط 32 عقدةً موثوقةً عبر المدن الكبرى، من بكين إلى شنغهاي. أُجري هذا المشروع السابق تحت إشراف عالم الفيزياء الكمومية الشهير، البروفيسور جيان وي بان، أحد رواد هذا التطور الأخير في التشفير الكمومي.

ويختلف هذا النهج جذريا عن النهج الأميركي، حيث تفضل وكالة الأمن القومي التقنيات البديلة.

ترى وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA) أن التشفير المقاوم للكم (أو ما بعد الكم) حلٌّ أكثر فعالية من حيث التكلفة وأسهل صيانةً من توزيع المفاتيح الكمومية. ولهذه الأسباب، لا تدعم الوكالة استخدام توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) أو مراقبة الجودة (QC) لحماية الاتصالات في أنظمة الأمن القومي، ولا تتوقع اعتماد أو اعتماد أيٍّ من منتجات الأمن الخاصة بتوزيع المفاتيح الكمومية أو مراقبة الجودة لاستخدامها من قِبل عملاء أنظمة الأمن القومي (NSS) إلا بعد التغلب على هذه القيود.

بشكل عام، يعتمد التشفير الكمي بشكل كبير على الأجهزة، وهو غير مرن، ولا يمكن تنفيذه برمجيًا أو كخدمة على الشبكة. وهذا يُصعّب أيضًا دمجه في شبكات أخرى أو ترقيته.

نقل التشفير الكمي إلى الفضاء

البناء على الجهود السابقة

يتم رفع هذا القيد المرتبط بشبكة الألياف الضوئية، وهو مشروع ضخم للبنية الأساسية، من خلال التحرك نحو التشفير الكمي القائم على الأقمار الصناعية بدلاً من ذلك.

كانت الخطوة الأولى عبارة عن إعداد تجريبي للمشروع التجارب الكمومية على نطاق الفضاء (QUESS). وشمل ذلك القمر الصناعي Micius (بالصينية: 墨子)، بالتعاون مع جامعة فيينا.

تمكنت مركبة Micius في السابق من إدارة 7,600 كيلومتر من الروابط الكمومية العابرة للقارات عبر الأقمار الصناعية، بمساعدة تجربة اتصالات بالليزر على وحدة مختبر الفضاء الصيني Tiangong-2 (محطة الفضاء الصينية).

كانت هذه طريقة جيدة لإثبات إمكانية تطبيق المفهوم. مع ذلك، لم يُثبت هذا النموذج الأولي بعد إمكانية تطبيقه باستخدام العناصر اللازمة للنشر العملي: أقمار صناعية صغيرة وخفيفة الوزن، ومحطات أرضية محمولة، وتبادل مفاتيح آمن آني.

كان الجانب الجنوب أفريقي من هذه الدراسة بقيادة البروفيسور فرانسيسكو بيتروتشيوني، الذي قام بتطوير إحدى أولى شبكات الاتصالات الكمية بالألياف الضوئية في العالم في ديربان، جنوب أفريقيا.

المصدر جامعة ستيلينبوش

"إن هذا العرض الناجح لتكنولوجيا الأقمار الصناعية الكمومية يضع جنوب إفريقيا في مكانة قوية كلاعب مهم في النظام البيئي العالمي لتكنولوجيا الكم المتطور بسرعة.

البروفيسور فرانشيسكو بيتروتشيوني

مزايا الاتصالات عبر الأقمار الصناعية

الميزة الأكبر لاستخدام الأقمار الصناعية لهذا النوع من الاتصالات المشفرة هي أنها لا تعتمد على شبكة ألياف بصرية مخصصة وموجودة مسبقًا.

وهذا يسمح بنشر النظام على نطاق واسع بدلاً من أن يقتصر فقط على نظام محلي مكلف من الألياف البصرية.

ميزة إضافية هي أن هذا الإنجاز التكنولوجي تحقق باستخدام أقمار صناعية صغيرة الحجم فقط، بحمولة 23 كجم (50 رطلاً). وللعلم، يبلغ وزن أقمار ستارلينك الصناعية الصغيرة نسبيًا 800 كجم (1,760 رطلاً).

المصدر رويترز 

وبالتالي، سيكون من السهل للغاية نشر مجموعة ضخمة من هذه الأجهزة دون الحاجة إلى إطلاق العديد من الأقمار الصناعية إلى المدارات.

يبلغ وزن المحطة الأرضية المحمولة حوالي 100 كيلوغرام، مما يجعلها سهلة النقل والتنفيذ في أي مكان.

حدود الاتصالات عبر الأقمار الصناعية

لأن الاتصال يعتمد على الفوتونات، فإنه يعتمد بشكل كبير على الظروف الجوية. فالأيام الغائمة، أو حتى عندما يكون القمر الصناعي متوازيًا مع الشمس، قد تعيق العملية.

لذا، على الأرجح، هذه ليست تقنيةً قابلةً للاستخدام في جميع الظروف دائمًا. ومع ذلك، فهي إنجازٌ مُبهر. ومن المُحتمل أن يكون استخدام الفوتونات في تردداتٍ أخرى أقل تأثرًا بالطقس (مثل الموجات الدقيقة) خطوةً منطقيةً تاليةً قابلةً للتطبيق.

ما مدى نجاحه؟

كان التأثير المناخي لهذه التقنية أحد أسباب اختيار ستيلينبوش، بظروفها البيئية المثالية المتمثلة في سماء صافية ورطوبة منخفضة. في هذه الظروف، تم تبادل ما يصل إلى 1.07 مليون بت من المفاتيح الآمنة خلال مرور قمر صناعي واحد.

كان الاتصال ثنائي الاتجاه أيضًا، مما أتاح اتصالًا آمنًا في الوقت الفعلي. لذا، يُعد هذا نجاحًا حلّ جميع القيود السابقة لنموذج ميسيوس الأولي، بما في ذلك وزن القمر الصناعي وإمكانية تبادل البيانات الآنية المفيدة للمحطة.

يُظهر النظام أيضًا قدرته على نقل تشفير الصور باستخدام لوحة لمرة واحدة. لذا، حتى لو تعذر نقل التشفير الكمي لاحقًا، كما هو الحال في الأحوال الجوية السيئة، فبمجرد نقل المفتاح، يظل من الممكن فك تشفير البيانات، على الرغم من مسافة 12,900 كيلومتر.

الاستخدامات

ومن المرجح أن تكون التطبيقات الأولى موجهة إلى الأمن القومي والتطبيقات العسكرية، لأنها المستهلكون الأوائل لخدمات التشفير غير القابلة للكسر والتي تتمتع بحماية عالية.

مع ذلك، لا ينبغي أن يكون هذا هو الهدف النهائي لهذه التقنية. إذ يمكن لمجموعة كبيرة من الأقمار الصناعية نقل مفاتيح التشفير للمستهلكين التجاريين أيضًا. ويشمل ذلك شركات التكنولوجيا، والمؤسسات المالية، ومنصات تداول العملات المشفرة، وغيرها.

ومع ذلك، من غير المرجح أن يستخدم معظم مستخدمي الإنترنت هذا المستوى من الأمان في الوقت الحالي، لأنه سيظل تقنيًا للغاية وأكثر تكلفة من طرق التشفير الأخرى.

من المتوقع أن ينمو سوق التشفير الكمي بنسبة مذهلة تبلغ 38.3% من عام 2024 إلى عام 2030، من 518 مليون دولار.

المصدر جراند فيو للبحوث

وبشكل عام، يعني هذا أنه من الممكن إضافة طبقة جديدة وواسعة النطاق من الاتصالات الفضائية قريبًا، وهي ليست طبقة إنترنت النطاق العريض مثل ستارلينك، بل طبقة تشفير آمنة من نقطة إلى نقطة يستحيل التجسس عليها.

وبما أن هذه الشبكة تنقل مفتاح التشفير فقط، وليس البيانات الفعلية، فقد تكون وسيلة فعالة لتحسين سلامة تشفير الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

وستكون الخطوة التالية أيضًا اختبار الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض، لأن هذا من شأنه أن يحسن بشكل جذري معدل نقل مفاتيح التشفير.

وسيكون هذا أكثر منطقية على المدى الطويل بالنسبة للنظام التجاري، حيث إن زمن الوصول المنخفض للغاية المرتبط بالمدار الأرضي المنخفض ليس مطلوبًا جدًا للتشفير الكمي.

شركة التشفير الكمي

شركة أركيت كوانتوم

تعد شركة Arquit موردًا لمنصة تشفير اتفاقية المفتاح المتماثل الآمنة كميًا.

وبعبارات أبسط، الأجهزة التي توفر التشفير الآمن من التقدم في مجال الحوسبة الكمومية.

منتجات الشركة متوافقة مع معايير NSA، فضلاً عن العديد من معايير الأمن السيبراني والتشفير الأخرى.

يضم عملاء شركة Arquit معظم شركات الأمن السيبراني والشبكات الكبرى، بما في ذلك Fortinet، وJuniper Network، وIntel، وAdtran، وغيرها.

يمكن دمج البرنامج المرتبط مع معظم بائعي OEM (الشركة المصنعة للمعدات الأصلية) وهو قائم على السحابة.

المصدر أركويت

تم الاعتراف بهذه التقنية من قبل الصناعة باعتبارها رائدة في جودة التشفير، حيث فازت بجوائز الأمن السيبراني الوطنية وجائزة شركة برمجيات الأمن السيبراني لهذا العام جوائز الأمن السيبرانيكما فازت أيضًا بجائزة CTO Outstanding Technology Award لحل 5G الآمن في المؤتمر العالمي للجوال.

وعلى الرغم من قائمة العملاء والشركاء والجوائز المثيرة للإعجاب، لا تزال شركة أركويت شركة جديدة إلى حد كبير، حيث ستبلغ إيراداتها 293,000 ألف دولار فقط في عام 2024.

لكن هذا لا يعكس القيمة الحقيقية للشركة، إذ تتوقع الشركة الحصول على عقود بعشرات الملايين من الدولارات من شركات حكومية وخاصة في المستقبل القريب.

كانت معظم العقود عبارة عن تراخيص محدودة للعرض والاختبار التكاملي لبرنامج اتفاقية المفاتيح المتماثلة الخاص بشركة Arqit.

كما أُعلن سابقًا، مُنحت شركة أركيت عقد ترخيص مؤسسي متعدد السنوات في منطقة أوروبا والشرق الأوسط وأفريقيا لمستخدم حكومي، ومن المتوقع أن يُحقق إيرادات سنوية متكررة تتجاوز المليون. وقد تم الانتهاء من العقد قبل نهاية السنة المالية 2024. ومن المتوقع أن يبدأ توليد الإيرادات في السنة المالية الحالية.

وبالمثل، أطلقت Sparkle في عام 2024مجموعة منتجات "الشبكة كخدمة (NaaS)" مع Quantum-Safe عبر الإنترنت"، باستخدام منتجات Arquit.

إلى جانب المركز النقدي البالغ 18.7 مليون دولار في نهاية عام 2024، فإن العقود القادمة تضع شركة Arquit في وضع يسمح لها بالتطور قريبًا من مكانتها كشركة ناشئة قبل الإيرادات، مما يبرر تقييمها المكون من 9 أرقام.

آخر الأخبار عن Arqit Quantum Inc.

مرجع الدراسة:

^{١. لي، واي، كاي، دبليو كيو، رين، جي جي وآخرون. توزيع المفاتيح الكمومية في الوقت الفعلي القائم على الأقمار الصناعية الدقيقة. مجلة نيتشر (٢٠٢٥). https://doi.org/1/s2025-10.1038-41586-z}