الاستعداد ليوم Q: التشفير المستند إلى الفيزياء لتأمين البيانات في عصر الحوسبة الكمية في عالمنا المرتبط بشكل كبير، نعتمد يوميًا على الاتصالات المشفرة لأداء العديد من المهام، مثل التسوق عبر الإنترنت، التوقيع الرقمي على الوثائق، إجراء المعاملات المصرفية، والمتابعة على جهاز تتبع اللياقة البدنية. ولكن التشفير الحالي، الذي يحول البيانات إلى صيغ غير قابلة للقراءة لضمان أمن المعلومات، يواجه ضغوطًا شديدة. المجرمون الإلكترونيون أصبحوا أكثر تطورًا، وشبكاتنا—المتشابكة بخدمات السحابة ومواقع الجهات الثالثة—باتت أكثر عرضة للخطر من أي وقت مضى. تشير شركة جيه بي مورجان إلى أنها تصد 45 مليار محاولة اختراق يوميًا. الت treat تهديد أبرز هو ما يسمى بيوم Y2Q أو يوم Q: وهو التاريخ الذي ستؤدي فيه الحواسيب الكمية إلى جعل معظم أساليب التشفير الحالية عديمة الجدوى. لفهم الحجم، يمكن للحاسوب الكمي أن يفعل في يوم واحد ما سيحتاج إليه أسرع حاسوب فائق حالي في العالم لآلاف السنين لإتمامه: كسر تشفير RSA-2048، وهو الخوارزمية التي تعد العمود الفقري لأمن الإنترنت. ليس من المبالغة القول إن عدم وجود تشفير يعني انهيار أمن العالم المرتبط، مما يتهدد استقرار المجتمع. بينما قد يكون يوم Y2Q على بعد سنوات، هناك أيضًا حاجة متزايدة لتعزيز صمود التشفير. الهجمات "حصاد الآن، فك التشفير لاحقًا" تتصاعد—استراتيجية حيث يقوم المجرمون الإلكترونيون بجمع البيانات المشفرة اليوم بنيتهم فك تشفيرها لاحقًا عندما تصبح أدوات الكم متاحة. الحل الفيزيائي لتوفير أمن البيانات وخصوصيتها لمعالجة هذه التحديات، فريق بحث متعدد التخصصات برئاسة جامعة بوسطن يطور نهجًا مستلهمًا من الفيزياء لتأمين البيانات وحماية الخصوصية. يعيد هذا النهج تصور أساسيات أدوات التشفير ويعدها بأن تكون أكثر صلابة وقابلية للتوسع وأفضل استعدادًا للمستقبل في وجه التهديدات الإلكترونية المتغيرة بسرعة. يشمل الفريق الباحثين من جامعة كورنيل وجامعة فلوريدا المركزية، وقد نشر مؤخرًا ورقة في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences توضح بعض الأفكار التي تقود نهجهم للتشفير. يقول الباحث الرئيسي أندري روكستين، أستاذ متميز في الفيزياء بكلية الآداب والعلوم بجامعة بوسطن: "نحن في عصر جديد من التكنولوجيا، حيث تكمن حدود قدرات الحوسبة عند تقاطع الحوسبة الكلاسيكية والكمية، الذكاء الاصطناعي، وأمن البيانات." ويضيف: "التحديات العاجلة والمعقدة في هذه المجالات، مثل حماية البيانات الحساسة أو الاستعداد للتهديد الكمي، لا يمكن حلها بواسطة أساليب التشفير والأمان الحالية. ما يثير الحماس في هذا العمل هو أنه يقدم تحولًا حقيقيًا في الفكر ويوفر قدرات جديدة ممكنة فقط من خلال تعاون التخصصات المختلفة في تغيير أساسي في الطريقة التي نفكر بها." الحوسبة على البيانات المشفرة أساليب التشفير الحديثة، التي تم تطويرها قبل حوالي 50 عامًا، لم تكن تتوقع متطلبات الحوسبة الحالية—لاSpeaking mentioning those of the quantum era. These systems mainly protect data in transit or at rest, leaving it vulnerable during use. This poses a significant problem for data-intensive applications like AI training models, which process vast amounts of data that are often private or confidential. Current approaches typically require decrypting data during training, which exposes it, or using privacy-preserving techniques that slow processing speeds, making them impractical for large-scale applications. The BU-led NSF project offers a promising solution with its Encrypted Operator Computing (EOC) method, which combines physics, computer science, and mathematics to develop scalable methods for computing directly on encrypted data—considered the "holy grail" of cryptography. "EOC is an alternative to Fully Homomorphic Encryption (FHE), a state-of-the-art cryptographic tool that has so far proven difficult to apply to large-scale practical problems," explains Ruckenstein. "EOC allows users to manipulate and gain insights from confidential data without ever exposing the raw information to third parties. This level of security and privacy is crucial for applications such as blockchain transactions, medical AI models, cloud services, and more." تطبيق الديناميكية الحرارية على الحوسبة يقترح النهج الفيزيائي للفريق معالجة التعقيد في الحوسبة ككمية ديناميكية حرارية؛ وهي تتعلق بكيفية انتشار الأمور مثل الحرارة والطاقة. تتحكم قواعد الديناميكية الحرارية في كيفية انتشار الحرارة في قهوتك الصباحية: بينما تتوزع الحرارة، تصبح الجزيئات أكثر توزيعًا وفرقة، وأنماطها أكثر تعقيدًا. لا يمنع ذلك استمتاعك بقهوتك، لكن حظوظ استعادة تاريخ جميع تلك الجزيئات المتناثرة ضئيلة للغاية. يقترح الباحثون أن، في دارة الحاسوب، يمكن ترتيب بواباتها بشكل فوضوي لاخفاء المعلومات. تتناول الورقة عملية ديناميكية لإخفاء أي دارة من خلال إعادة ترتيب البوابات وتعشويم هيكلها دون تغيير وظيفتها. الهدف هو ليس فقط خلط المعلومات بسرعة، بل أيضًا بشكل شامل—بالأساس تدمير جميع الأنماط حتى يصبح من المستحيل الهندسة العكسية للبرنامج. يسعى الفريق إلى إنشاء بيئة موثوقة حيث تبقى كل من البيانات والبرامج التي تستخدمها مخفية. "الإخفاء البرمجي هو مفهوم قوي ومتنوع للغاية لحماية البيانات ومعالجتها واستخداماتها المختلفة عبر الزمن وفي سياقات مختلفة," يقول ران كانيتي، أستاذ علوم الحاسوب بكلية الآداب والعلوم بجامعة بوسطن. "ومع ذلك، فإن بناءه معروف بصعوبته: لدينا حتى الآن أي نظام عام للإخفاء البرمجي يقترب من أن يكون عمليًا. هذا المشروع المثير له القدرة على جعل الإخفاء البرمجي حقيقة واقعة." البحث متعدد التخصصات لتحقيق تأثير حقيقي يسعى المشروع إلى تحويل هذه المفاهيم التشفيرية إلى أدوات عملية. معًا، سيطور الفريق إطار EOC إلى أجهزة خاصة مقاسة للتوسع تدمج الرؤى المستلهمة من الفيزياء بأحدث التشفير والرياضيات البحتة. الهدف هو تسريع الأداء وجعل الحوسبة الأمنية والخاصة متاحة على نطاق واسع للأستخدام الحقيقي. يقول إدواردو ر. موسيو، أستاذ الفيزياء بجامعة فلوريدا المركزية: "بجمع خبرات من مجالات متنوعة، يمكننا معالجة المشكلات من زوايا متعددة في آن واحد—سواء كان الأمر يتعلق بالفهم السلوكي الكمي، تصميم خوارزميات جديدة، أو بناء أجهزة أفضل." ويضيف: "هذه التآزر ليس فقط يسرع العملية، بل يسمح لنا أيضًا بالغوص بعمق أكبر بكثير مما يمكن لأي تخصص بمفرده. نحن نكشف عن علاقات لن تكون مرئية بدون هذا النوع من التعاون بين التخصصات." المساهمات المتعددة التخصصات يقول تيموثي ريلي، أستاذ الرياضيات بجامعة كورنيل، إن التعاون بين التخصصات هو "فرصة نادرة وثمينة" تسمح للباحثين "بفهم لغات بعضهم البعض، التعلم من وجهات نظر بعضهم البعض، ومشاركة النماذج، المشكلات، والتجريدات التي تقود عملنا." كان دعم برنامج البحث الموجه للاحتكاك الكمي بمعهد هاريي قد ساهم في تقدم العمل. يشجع هذا البرنامج التفكير الاحتكاك بين التخصصات والتعاون متعدد التخصصات في جامعة بوسطن حول مواضيع متداخلة حول علوم الهندسة الكمية. يرتبط جميع الباحثين الثلاثة من جامعة بوسطن بهذا المعهد. يقول يانيس باشاليديس، أستاذ متميز في الهندسة بكلية الهندسة بجامعة بوسطن والمدير التنفيذي لمعهد هاريي وعضو فريق الجامعة للبحث والتعليم الاحتكاك: "يتطلب انتشار البنية التحتية الرقمية حماية أقوى لحماية اقتصادنا، وخصوصيتنا، ومصالحنا الوطنية." ويضيف: "حل هذه التحديات المعقدة يتطلب تخطي الحواجز التقليدية. يظهر هذا العمل كيف يمكن للبحث الاحتكاك تحقيق تأثير حقيقي وفتح أفق تقنية جديدة تمامًا." تقييم الحدث من قبل المختصين يُعتبر هذا المشروع خطوة مهمة نحو تطوير تقنيات تشفير قادرة على مواجهة التهديدات الكمية المستقبلية. يُثمن الباحثون دور التعاون متعدد التخصصات في تقدم هذا العمل، حيث يدمجون بين خبراتهم في الفيزياء، علوم الحاسوب، والرياضيات لتطوير حلول أمنية مبتكرة. يُتوقع أن تساهم هذه التقنيات في تعزيز الثقة في النظم الرقمية وحماية البيانات الحساسة في ظل التهديدات الأمنية المتزايدة.