التشفير الكمي المستقل عن الجهاز

يُعتبر بروتوكول التشفير الكمومي مستقلاً عن الجهاز إذا لم يعتمد أمانه على الثقة في صدق الأجهزة الكمومية المستخدمة. لذا، يتطلب تحليل أمان هذا البروتوكول مراعاة سيناريوهات الأجهزة غير الكاملة أو حتى الخبيثة. وقد أظهرت العديد من المشكلات المهمة إمكانية وجود بروتوكولات آمنة تمامًا ومستقلة عن الجهاز. ومن المواضيع ذات الصلة الوثيقة توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن جهاز القياس .

اقترح دومينيك مايرز وأندرو ياو ^{[ 1 ]} فكرة تصميم بروتوكولات كمومية باستخدام أجهزة كمومية "ذاتية الاختبار"، حيث يمكن تحديد عملياتها الداخلية بشكل فريد من خلال إحصائيات المدخلات والمخرجات. لاحقًا، اقترح روجر كولبيك في أطروحته ^{[ 2 ]} استخدام اختبارات بيل للتحقق من سلامة الأجهزة. ومنذ ذلك الحين، تبين أن العديد من المشكلات تسمح ببروتوكولات آمنة تمامًا ومستقلة عن الجهاز، حتى عندما تكون الأجهزة الفعلية التي تُجري اختبار بيل "مشوشة" ​​إلى حد كبير، أي بعيدة كل البعد عن المثالية. تشمل هذه المشكلات توزيع المفاتيح الكمومية [ ^{3 ] [ 4 ]} ، وتوسيع العشوائية ^{[ 4 ] [ 5 ] ،} وتضخيم العشوائية ^{[ 6 ] .}

يهدف توزيع المفاتيح الكمومية إلى تمكين طرفين، أليس وبوب ، من مشاركة سلسلة سرية مشتركة عبر قنوات اتصال عامة. وقد مثّلت هذه المسألة محور اهتمام رئيسي في علم التشفير الكمومي، وكانت أيضًا الدافع وراء ورقة مايرز وياو البحثية ^{[ 1 ]} . ويسعى عدد كبير من الدراسات إلى إثبات أمان مطلق مع متانة عالية. وكان أوميش فازيراني وتوماس فيديك ^{[ 3 ]} أول من حقق هذا الهدف. لاحقًا، أثبت كارل أ. ميلر وياويون شي ^{[ 4 ]} نتيجة مماثلة باستخدام منهجية مختلفة.

يهدف توسيع العشوائية إلى توليد سلسلة عشوائية خاصة أطول انطلاقًا من سلسلة إدخال موحدة وباستخدام أجهزة كمومية غير موثوقة. وقد اقترح كولبيك فكرة استخدام اختبار بيل لتحقيق هذا الهدف لأول مرة. ^{[ 2 ]} وسعت الدراسات اللاحقة إلى إثبات أمان غير مشروط مع متانة وزيادة معدل التوسع. وكان فازراني وفيديك أول من أثبتا أمانًا كموميًا كاملًا لبروتوكول يتوسع أُسّيًا. ^{[ 7 ]} وحقق ميلر وشي ^{[ 4 ]} العديد من الميزات الإضافية، بما في ذلك أمان على مستوى التشفير، ومتانة، ومتطلبات كيوبت واحد على الذاكرة الكمومية . ثم قام المؤلفان نفساهما بتوسيع هذا النهج لاحقًا لإظهار أن مستوى الضوضاء يمكن أن يقترب من الحد الأعلى الواضح، عندما يصبح الناتج حتميًا. ^{[ 5 ]}

يهدف تضخيم العشوائية إلى توليد عشوائية شبه مثالية (تقارب رمية عملة عادلة ) انطلاقًا من مصدر واحد للعشوائية الضعيفة (عملة لا يمكن التنبؤ بنتائج رمياتها إلى حد ما، مع أنها قد تكون متحيزة ومرتبطة بالرميات السابقة). من المعروف أن هذا مستحيل بالطرق التقليدية. ^{[ 8 ]} ومع ذلك، باستخدام الأجهزة الكمومية، يصبح ذلك ممكنًا حتى لو كانت هذه الأجهزة غير موثوقة. وقد دفع اعتبارات فيزيائية روجر كولبيك وريناتو رينر إلى طرح هذا السؤال أولًا. ^{[ 9 ]} يتميز تصميمهما والتحسين اللاحق الذي أجراه رودريغو غاليغو وآخرون ^{[ 10 ]} بالأمان ضد أي خصم لا يُرسل إشارات ، وله تفسيرات فيزيائية مهمة. أما أول تصميم لا يتطلب أي افتراضات هيكلية حول المصدر الضعيف، فيعود الفضل فيه إلى كاي-مين تشونغ، وياويون شي، وشياودي وو. ^{[ 6 ]} ومنذ ذلك الحين، ركزت الأبحاث على ابتكار تصميمات مناسبة للتنفيذ. ^{[ 11 ] [ 12 ]}