الأمن القائم على نظرية المعلومات

تعتمد الخوارزميات الآمنة حسابيًا أو المشروطة (أي غير الآمنة نظريًا من حيث المعلومات) على حدود الموارد. على سبيل المثال، تعتمد خوارزمية RSA على فرضية صعوبة تحليل الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية.

أدى مفهومٌ أضعف للأمان، عرّفه آرون د. واينر ، إلى ظهور مجال بحثي مزدهر يُعرف بتشفير الطبقة الفيزيائية . ^{[ 4 ]} يستغل هذا التشفير قناة الاتصال اللاسلكي الفيزيائية لتأمينها من خلال تقنيات الاتصالات ومعالجة الإشارات والترميز. يتميز هذا الأمان بإمكانية إثباته ، وعدم إمكانية اختراقه ، وقابليته للقياس الكمي (بالبت/ثانية/هرتز).

طرحت أعمال واينر الأولية في مجال تشفير الطبقة الفيزيائية في سبعينيات القرن الماضي مشكلة أليس-بوب-إيف، حيث ترغب أليس في إرسال رسالة إلى بوب دون أن تقوم إيف بفك تشفيرها. وقد ثبت أنه إذا كانت قناة الاتصال من أليس إلى بوب أفضل إحصائيًا من قناة الاتصال من أليس إلى إيف، فإن الاتصال الآمن ممكن. ^{[ 5 ]} هذا بديهي، لكن واينر قاس السرية بمصطلحات نظرية المعلومات، مُعرّفًا سعة السرية، والتي هي أساسًا معدل قدرة أليس على نقل المعلومات السرية إلى بوب. بعد ذلك بوقت قصير، أظهر إيمري سيسزار وكورنر أن الاتصال السري ممكن حتى لو كانت قناة اتصال إيف بأليس أفضل إحصائيًا من قناة بوب. ^{[ 6 ]} أصبحت قابلية تحديد القناة لاحقًا طريقة أخرى لإثبات السرية القوية. صاغ هاياشي وواتانابي مفهوم السرية القوية انطلاقًا من قابلية تحديد القناة، موضحين كيف يمكن لتقريب توزيع مخرجات المتنصت أن يُشير إلى السرية من منظور نظرية المعلومات. ^{[ 7 ]} تقوم الفكرة الأساسية لمنهج نظرية المعلومات لنقل الرسائل السرية بشكل آمن (دون استخدام مفتاح تشفير) إلى مُستقبِل شرعي على استخدام العشوائية المتأصلة في الوسط المادي (بما في ذلك التشويش وتقلبات القناة الناتجة عن التلاشي) واستغلال الفرق بين القناة إلى المُستقبِل الشرعي والقناة إلى المُتَنَصِّت لصالح المُستقبِل الشرعي. ^{[ 8 ]} وتتناول نتائج نظرية أحدث تحديد سعة السرية وتخصيص الطاقة الأمثل في قنوات البث المتلاشية. ^{[ 9 ] [ 10 ]} إلا أن هناك بعض المحاذير، إذ لا يمكن حساب العديد من السعات إلا بافتراض أن أليس تعرف القناة إلى إيف. فلو كانت هذه المعلومة معروفة، لكان بإمكان أليس ببساطة وضع إشارة فارغة في اتجاه إيف. وتُعد سعة السرية لتقنية MIMO والمتنصتين المتواطئين المتعددين موضوعًا حديثًا ومستمرًا، ^{[ 11 ] [ 12 ]} ولا تزال هذه النتائج تفترض افتراضًا غير مفيد حول معرفة المُتَنَصِّت لمعلومات حالة القناة .

بينما يركز عمل آخر على الجانب العملي، محاولًا مقارنة المخططات القابلة للتنفيذ. أحد مخططات التشفير على مستوى الطبقة الفيزيائية هو بث ضوضاء اصطناعية في جميع الاتجاهات باستثناء قناة بوب، مما يُشوش على إيف. وقد فصّلت ورقة بحثية لنيجي وجويل تفاصيل تنفيذه، بينما قام خيستي وورنيل بحساب سعة السرية عندما تكون الإحصائيات المتعلقة بقناة إيف فقط هي المعروفة. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

بالتوازي مع هذا العمل في مجال نظرية المعلومات، يوجد عمل في مجال الهوائيات، يُعرف باسم تعديل الهوائي المباشر في المجال القريب أو التعديل الاتجاهي. ^{[ 15 ]} وقد ثبت أنه باستخدام مصفوفة طفيلية ، يمكن التحكم في التعديل المرسل في اتجاهات مختلفة بشكل مستقل. ^{[ 16 ]} ويمكن تحقيق السرية بجعل فك تشفير التعديلات في الاتجاهات غير المرغوب فيها صعبًا. وقد تم إثبات نقل بيانات التعديل الاتجاهي تجريبيًا باستخدام مصفوفة طورية . ^{[ 17 ]} كما أثبت باحثون آخرون التعديل الاتجاهي باستخدام مصفوفات مُبدَّلة وعدسات مُقترنة الطور . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

يُعدّ هذا النوع من التعديل الاتجاهي في الواقع جزءًا من نظام تشفير الضوضاء الاصطناعية الجمعية لنيجي وجويل. وهناك نظام آخر يستخدم هوائيات إرسال قابلة لإعادة التشكيل النمطي لأليس، يُسمى الضوضاء المضاعفة القابلة لإعادة التشكيل (RMN)، وهو يُكمّل الضوضاء الاصطناعية الجمعية. ^{[ 21 ]} يعمل النظامان معًا بكفاءة في محاكاة القنوات التي لا يُفترض فيها أن أليس أو بوب على دراية بأي معلومات عن المتنصتين.