גישור בין אי-סדר וסדר בלייזרים אקראיים ליישומי קריפטוגרפיה באמצעות למידת עומק

אור, כאוס ותבניות חבויות

בכל יום, ההודעות הפרטיות שלנו, פרטי הבנקאות והרשומות הרפואיות מוגנים על-ידי מפתחות דיגיטליים — רצפים ארוכים של ביטים שצריכים להיות בלתי אפשריים לניחוש. אך ככל שמחשבים, ובפרט מחשבים קוונטיים, נעשים חזקים יותר, הטריקים המתמטיים של היום ליצירה ולהחלפה של מפתחות אלה עלולים להפסיק להיות בטוחים. המחקר הזה חוקר גישה שונה לחלוטין: שימוש בסוג מיוחד של לייזר "אקראי" ובאינטליגנציה מלאכותית ליצירה ולהעברה של מפתחות באופן השזור בחוקי הפיזיקה במקום בבעיות מתמטיות קשות.

לייזר סוער שנולד מהאי-סדר

במקום המראות המלוטשות שמוצאים בלייזרים רגילים, לייזר אקראי נשען על אי-סדר. כאן הכותבים משתמשים בחלק קצר של סיב אופטי פלסטי שמלא במולקולות צבע וחלקיקי ננו זעירים. כשהרדד לייזר ירוק חודר ללב העכור הזה, האור מתעצבן ומפזר באופן בלתי צפוי, צובר אנרגיה תוך כדי הפיזורים. מעל רמת תחל של משאבת האנרגיה, תערובת של הגברה ופיזור מייצרת לייזר שספקטרום שלו נראה כיער של שיאים צרים וקוצניים. מיקומי השיאים האלה בצבע נשארים קבועים, אך גובהם מהבהב בסערה מפולס לפולס. ההתנהגות הסוערת הזו הופכת את ההתקן למקור פיזי אטרקטיבי של אקראיות — מרכיב חיוני לקריפטוגרפיה מאובטחת.

אקראי בזמן, אבל לא בכל מובן

הצוות שואל תחילה האם הבהובים בעוצמה לאורך הזמן ניתנים לחיזוי. הם מתייחסים לכל צבע בספקטרום כסדרת זמן נפרדת ומזינים היסטוריות ארוכות של אותות אלה למספר מודלים מתקדמים של רשתות נוירונים, שלרוב מצטיינים בזיהוי דפוסים בנתונים. להשוואה, הם גם מייצרים רצף פסאודו-אקראי קונבנציונלי, שהוא טכנית ניתן לחיזוי כי הוא פועל לפי נוסחה מוסתרת. הרשתות לומדות בקלות את הרצף המלאכותי ומגיעות לדיוק חיזוי כמעט מושלם. בניגוד חד לכך, אותם מודלים מטפלים בנתוני הלייזר בכישרון נמוך מאוד, גם כאשר מקבלים דוגמאות אימון רבות יותר או היסטוריות ארוכות יותר. זה מראה כי מפולס לפולס, הבהירות בערוץ צבע מסוים היא למעשה בלתי ניתנת לחיזוי, ומחזקה את ערכו של הלייזר כמקור אקראיות באיכות גבוהה.

סדר החבוי בתוך הספקטרום

עם זאת, הסיפור לא נגמר בכאוס. כשהמחברים מביטים על פני הספקטרום ברגע אחד בזמן, הם מזהים רמזים למבנה: אורכי גל מסוימים נוטים לעלות ולרדת ביחד, בעוד אחרים נעים באופן מנוגד. כדי לבדוק את הסדר העדין הזה, הם מדחסים כל ספקטרום על-ידי דגימה של השיאים והעמקים היציבים בלבד ואז מעלים אתגר חדש לרשת נוירלית עמוקה: לחזות את גובהו של שיא חסר אחד או יותר מתוך השיאים הנותרים באותו רגע. כאן למידת המכונה זוהרת. באמצעות אינטנסיביות הצבעים האחרים בלבד, הרשת מסוגלת לשחזר שיא בודד בדיוק של כ-99.99% וכמה שיאים בדיוק עדיין גבוה. במילים אחרות, למרות שהלייזר אקראי בזמן, רכיבי הספקטרום שלו ברגע נתון מקושרים על-ידי קשר דטרמיניסטי חבוי שרשת נוירונים יכולה ללמוד לנצל.

הפיכת הבהוב לסודות דיגיטליים

בהסתמך על הטבע הכפול הזה — אקראי בזמן, מסודר בין צבעים — החוקרים מתכננים סכימה פיזית ליצירת והפצת מפתחות מאובטחים. צד אחד, אליס, מודדת את בהירותו של שיא ספקטרלי נבחר לאורך פולסים רבים וממירה את הרצף הבלתי צפוי הזה לביטים אקראיים, בעיבוד זהיר כך שאפסים ואחדים יופיעו בסבירות שווה ויעברו בדיקות סטטיסטיות קפדניות. היא אז מסירה את אותו שיא מהספקטרום ושולחת רק את האור הנותר לבוב דרך שטח פתוח. בוב מודד את הספקטרום הלא שלם ומזין את עוצמות השיאים והעמקים שלו לרשת נוירונים שאומנה מראש. הרשת משחזרת את עוצמת השיא החסר בכל פולס, ומאפשרת לבוב לייצר בדיוק את אותו רצף ביטים שאליס ייצרה — מבלי שקיבל אי-פעם את השיא הקריטי ישירות.

להשאיר מצותני האזנה בחשיכה

המחברים שוקלים גם שני סוגי מצתנים. אחד מאזין ללא גישה לרשת נוירונים מיוחדת ויכול רק לדגום ערוץ ספקטרלי סמוך; האחר מחזיק ברשת הנכונה אך מקבל אות מעוות ורועש שמזיז קלות את מיקומי הדגימה. בסימולציות, שני התוקפים מקבלים בסופו של דבר מפתחות שאינם מתקשרים למעשה עם מפתח אליס, בעוד שמפתחו המשוחזר של בוב נשאר כמעט מיושר גם בנוכחות רעש ושינויים בהספק הלייזר. קודי תיקון שגיאות יכולים לנקות עוד את הביטים של בוב מבלי לעזור לתוקפים. לצופה שאינו מומחה, המסר העיקרי הוא כי צירוף של אור חסר-סדר ואלגוריתמים חכמים יכול ליצור סודות דיגיטליים משותפים שקשה מאד לגנובם, ומצביע על כיוונים חדשים, מבוססי חומרה, לאבטחת המידע שלנו בעתיד שבו הקריפטוגרפיה המסורתית עלולה שלא להספיק.

ציטוט: Hu, Z., Qi, L., He, S. et al. Bridging disorder and order in random lasers for cryptographic applications via deep learning. Commun Phys 9, 132 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02600-z

מילות מפתח: לייזרים אקראיים, קריפטוגרפיה פיזיקלית, למידת עומק, הפצת מפתחות מאובטחת, סיבי אופטי