הצפנת תמונות מאובטחת בקוונטום באמצעות QTRNG ו-QPRNG היברידיים

מדוע ההסתרה של תמונות נהיית קשה יותר

תמונות וסרטונים עוברים כיום ברציפות בין טלפונים, בתי חולים, לוויינים ושרתי ענן. שיטות ההצפנה של היום מגנות על תמונות אלה—כל עוד התוקפים משתמשים במחשבים קלאסיים רגילים. עם הופעת מחשבים קוונטיים רבי־עוצמה, רבים מהמנעולים הנוכחיים שלנו עלולים להיפרץ. המחקר הזה בוחן כיצד להשתמש בפיזיקת הקוונטים עצמה כדי לבנות סוגים חדשים של "מפתחות" שיכולים להגן על תמונות גם מפני התקפות קוונטיות עתידיות.

הפיכת תמונות לצורה קוונטית

כדי להשתמש בטריקים קוונטיים על תמונות, המחברים קודם כל ממירים תמונת גווני־אפור רגילה לפורמט שמכשיר קוונטי יכול להבין. במקום לאחסן כל פיקסל כמספר בקובץ, התמונה מעודכנת כך שעוצמת כל פיקסל ומיקומו ייוצגו באוסף של קיוביטים. הסכמה זו, הנקראת NEQR, מאפשרת למעגל קוונטי להחזיק בכל ערכי הפיקסלים בבת אחת בסופרפוזיציה רחבה. זה מאפשר לעבד את כל התמונה במקביל, באמצעות מספר יחסי־קטן של קיוביטים, ולהחזיר תמונה רגילה על ידי מדידתם בהמשך.

שני סוגי אקראיות קוונטית

הצפנה טובה תלויה באקראיות טובה. המאמר חוקר שתי דרכים קוונטיות לייצר ביטים אקראיים. הראשונה היא ייצור מספרים אקראיים אמיתיים קוונטיים (QTRNG). כאן קיוביטים מוכנסים לסופרפוזיציה מושלמת של 50–50 ואז מסוככים (entangle) כך שהתוצאות שלהם מקושרות באופן עמוק שאין מערכת קלאסית יכולה לחקות. כשמודדים את הקיוביטים, מחרוזת ה‑0ים וה‑1ים בלתי־ניתנת לחיזוי באופן יסודי, מושרשת באי־הוודאות המהותית של מכניקת הקוונטים. השיטה השנייה, ייצור מספרים אקראיים פְּסוֹ־קוונטיים (QPRNG), משתמשת ברצפים קבועים של שערים קוונטיים כדי לייצר דפוסי ביטים מורכבים שנראים אקראיים וניתנים לשחזור בדיוק אם מריצים את אותו המעגל שוב.

שילוב חוסר־ניתנות־חיזוי ושליטה

מרכז העבודה הוא גנרטור היברידי, QHRNG, שמאחד את שתי הגישות. תחילה מייצרים זרע אמיתי ואקראי באמצעות מעגל QTRNG. הזרע הזה נטען למעגל קוונטי שני שמורכב משערי קליפורד שמרחיבים, מעקמים ומשתקים את המידע על פני קיוביטים רבים. התוצאה היא זרם ביטים ארוך שירש את חוסר־הניתנות־לחיזוי העמוק של הזרע הקוונטי האמיתי, אך גם את היעילות והסקלאביליות של המעגל הפסו־אקראי. בדיקות סטטיסטיות מקיפות, כולל בדיקות אקראיות וחד־ערכיות של NIST, מראות שמקור היברידי זה עובר יותר בדיקות ובמרווחים גבוהים יותר מאשר גנרטורים קוונטיים שמבוססים רק על אמת או רק על פסו־אקראיות.

הסתרת תמונות באמצעות מפתחות קוונטיים

לאחר שהמפתח ההיברידי מוכן, הוא מניע צופן תמונות קוונטי. התמונה המקורית מחולקת לבלוקים קטנים, מומרת לפורמט הקוונטי NEQR, ואז מעורבבת עם ביטי המפתח באמצעות מקבילים קוונטיים של פעולות מוכרות כמו XOR. שלבים קוונטיים נוספים מערבבים ביטים בתוך כל פיקסל ומחליפים מיקומי קיוביטים, כך ששינויים קטנים מתפשטים במהירות על פני כל התמונה. טרנספורם פורייה קוונטי סלקטיבי מטשטש עוד יותר את המידע של הפיקסלים לדפוסים גליים שקשה מאוד להפוך ללא רצף השערים ומפתח המדויק. בסופו של דבר, מדידת הקיוביטים מניבה תמונה מוצפנת שנראית כרעש טהור; הפענוח מריץ את כל השלבים בהיפוך, באמצעות אותו מפתח היברידי, כדי לשחזר את התמונה המקורית.

בוחנים את האבטחה הקוונטית

המחברים עושים יותר מתיאוריה: הם מריצים את הגנרטורים והצופן התמונה גם בסימולטורים אידיאליים וגם על שבב קוונטי על־מוליך אמיתי של IBM. לאחר מכן הם בודקים את זרמי המפתחות והתמונות המוצפנות במגוון רחב של בדיקות שמקובלות בקריפטוגרפיה מודרנית. מדדים כמו כמה התמונות המוצפנות משתנות כשפיקסל קלט יחיד או ביט מפתח מוחלפים, עד כמה ערכי הפיקסלים מפוזרים באופן שווה, וכמה האקראיות עומדת בפני בדיקות פורמליות של NIST — כולם מצביעים בכיוון אחד. הסכמה ההיברידית המבוססת על QHRNG מראה באופן עקבי אנטרופיה גבוהה יותר, עמידות חזקה יותר מול מודלים שונים של מתקפה והתנהגות טובה יותר תחת רעש מאשר שיטות הצפנה של תמונות קודמות, קוונטיות או קלאסיות.

מה משמעות הדבר לנתונים יומיומיים

עבור הקהל הרחב, המסר המרכזי הוא שהשפעות הקוונטום שבאיום על הצפנות היום יכולות גם להפוך להגנות עוצמתיות. על ידי שילוב מנת חוסר־ניתנות־חיזוי קוונטית בלתי־ניתנת לצמצום עם מעגל קוונטי מובנה, המחברים מעצבים מפתחות שקשה מאוד לנחש אך מעשיים לייצור על חומרה של העתיד הקרוב. צופן התמונות הקוונטי שלהם מראה שמפתחות כאלה יכולים להגן על נתונים ויזואליים גם אם מרגלים יקבלו גישה למחשבים קוונטיים עתידיים או לערוצי תקשורת רעשיים. אף שעדיין בשלב מחקרי, הגישה ההיברידית מציירת מסלול לעבר מנעולים מוכנים־קוונטום עבור סריקות רפואיות, תמונות לוויין ותמונות רגישות אחרות שיצטרכו להישאר בסוד בעשורים הבאים.

ציטוט: Gururaja, T.S., Pravinkumar, P. Quantum secure image encryption using hybrid QTRNG and QPRNG. Sci Rep 16, 5151 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35111-6

מילות מפתח: הצפנת תמונות קוונטית, גנרטור מספרים אקראיים קוונטי, QTRNG QPRNG היברידי, אבטחה פוסט־קוונטית, שידור תמונות מאובטח