کامپیوترهای کوانتومی و ارزهای دیجیتال؛ هر آنچه باید بدانید

کامپیوترهای کوانتومی ماشین‌های قدرتمندی هستند که توانایی آنها برای حل مسائل پیچیده بسیار بیشتر از کامپیوترهای معمولی است. برخی از کارشناسان برآورد می‌کنند که این کامپیوترها می‌توانند رمزهای ایجاد شده به روش رمزگذاری را در عرض چند دقیقه بشکنند؛ کاری که سریع‌ترین کامپیوترهای امروزی برای انجام آن به حداقل هزار سال زمان نیاز دارند. بنابراین احتمال اینکه این کامپیوترهای جدید امنیت فضای دیجیتال مخصوصا رمزنگاری بنیادین بیت کوین و سایر ارزهای دیجیتال را در معرض خطر قرار دهند زیاد است.

این مطلب که در وبسایت بایننس ویژن منتشر شده است، ابتدا تفاوت بین کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای معمولی را توضیح می‌دهد و سپس مخاطراتی را که این کامپیوترها می‌توانند برای ارزهای دیجیتال و سایر زیرساخت‌های دیجیتالی ایجاد کنند بررسی می‌کند.

رمزنگاری نامتقارن و امنیت اینترنت

رمزنگاری نامتقارن (که به رمزنگاری کلید عمومی هم معروف است) مؤلفه‌ای بسیار مهم از اکوسیستم ارز دیجیتال و زیرساخت اینترنت است. این کار با یک جفت کلید، برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات انجام می‌شود که به ترتیب کلید عمومی و کلید خصوصی نامیده می‌شوند. در مقابل، رمزنگاری متقارن را داریم که فقط از یک کلید برای رمزگذاری و رمزگشایی داده‌ها استفاده می‌کند.

در رمزنگاری نامتقارن، کلید عمومی را می‌توانیم در اختیار دیگران قرار دهیم و از آن برای رمزگذاری اطلاعات استفاده کنیم. اما پس از آن، رمزگشایی این اطلاعات فقط با کلید خصوصی متناظر با آن کلید عمومی امکان‌پذیر است. این امر تضمین می‌کند که فقط دارنده کلید می‌تواند به اطلاعات دسترسی پیدا کند.

یکی از مزایای اصلی رمزنگاری نامتقارن، امکان تبادل اطلاعات بدون نیاز به به اشتراک‌گذاری کلید عمومی در مجرایی است که اعتماد در آن وجود ندارد. بدون این قابلیت بسیار مهم، غیرممکن است که بتوانیم امنیت اطلاعات را در اینترنت برقرار کنیم. به عنوان مثال، حتی تصور آن مشکل است که بدون رمزگذاری ایمن اطلاعات بین طرف‌های غیر قابل اعتماد، بانکداری آنلاین داشته باشیم.

رمزنگاری نامتقارن به این دلیل ایمن است که در آن الگوریتم ایجاد جفت کلیدها طوری است که محاسبه کلید خصوصی از روی کلید عمومی را بی‌نهایت دشوار می‌کند، در حالی‌که محاسبه کلید عمومی از روی کلید خصوصی به راحتی امکان‌پذیر است. به این مثال توجه کنید: پاسخ ۲۵۰ به اضافه ۲۵۰ مسلماً برابر است با ۵۰۰، اما چند حالت وجود دارد که جمع دو عدد با هم ۵۰۰ شود؟ بدیهی است که انتخاب‌های زیادی وجود دارد. این چیزی است که در ریاضیات آن را تابع دریچه (Trapdoor Function) می‌نامند. تابعی که محاسبه آن از یک سو بسیار آسان و از سوی دیگر بسیار دشوار است.

در حال حاضر، پیشرفته‌ترین الگوریتم‌ها برای تولید جفت کلید، بر مبنای تابع دریچه عمل می‌کنند. حل این توابع دریچه، در یک بازه زمانی برای کامپیوترهای فعلی امکان‌پذیر نیست. انجام این محاسبات حتی برای قدرتمندترین ماشین‌ها هم زمان بسیار زیادی را می‌طلبد.

با این حال، با پیشرفت سیستم‌های محاسباتی جدید با عنوان کامپیوترهای کوانتومی، احتمالا شرایط به زودی تغییر خواهد کرد. برای درک اینکه چرا کامپیوترهای کوانتومی تا این اندازه قدرتمند هستند، ابتدا بیایید نحوه عملکرد کامپیوترهای معمولی را بررسی کنیم.

کامپیوترهای کلاسیک

کامپیوترهایی که همه ما آنها را می‌شناسیم و از آنها استفاده می‌کنیم، کامپیوترهای کلاسیک نامیده می‌شوند. محاسبات در این کامپیوترها به صورت ترتیبی (متوالی) انجام می‌شود، یعنی ابتدا یک کار محاسباتی انجام می‌گیرد و پس از اینکه به پایان رسید، محاسبه بعدی شروع می‌شود. دلیلش این است که حافظه کامپیوترهای کلاسیک باید از قوانین فیزیک پیروی کند و بنابراین می‌تواند فقط یکی از دو حالت ۰ یا ۱ را بپذیرد (روشن یا خاموش).

سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای مختلف، به کامپیوترها امکان می‌دهند محاسبات پیچیده را به تکه‌های کوچکتری تبدیل کنند تا بازدهی سیستم افزایش یابد. اما اصل کار تغییر نمی‌کند، همیشه باید یک کار محاسباتی به پایان برسد تا بعدی آغاز شود.

بیایید یک مثال بزنیم:

فرض کنید یک کامپیوتر بخواهد یک کلید ۴ بیتی را حدس بزند. هر یک از چهار بیت می‌تواند ۰ یا ۱ باشد. بنابراین ۱۶ حالت ممکن وجود دارد که در تصویر بعد نشان داده شده است.

کامپیوتر کلاسیک در هر زمان می‌تواند فقط یک حدس بزند و هر یک را جداگانه امتحان کند. اگر هنوز برایتان مبهم است، این‌طور فرض کنید که یک قفل با یک دسته کلید دارید که ۱۶ کلید دارد. هر یک از ۱۶ کلید را باید جداگانه امتحان کنید. اگر اولی قفل را باز نکرد، بعدی را امتحان می‌کنید و همین‌طور تا آخر.

در کامپیوترهای کلاسیک هم وضع به همین منوال است. در واقع هر چه طول کلید بیشتر می‌شود، تعداد حالت‌های ترکیبیِ ممکن به شکل نمایی رشد می‌کند. در مثال بالا، با اضافه کردن فقط یک بیت که کلید را ۵ بیتی خواهد کرد، تعداد حالت‌ها از ۱۶ به ۳۲ خواهد رسید. افزودن یک بیت دیگر ۶۴ حالت ممکن را پیش‌روی ما خواهد گذاشت. برآورد شده است با ۲۵۶ بیت، تعداد حالت‌های ممکن به اندازه تعداد اتم‌های جهان خواهد بود. می‌توانید تصور کنید با چه رقم بزرگی مواجه هستیم؟

در حالی‌که تعداد حالت‌ها به صورت نمایی افزایش می‌یابد، سرعت پردازش محاسبات به صورت خطی رشد می‌کند. اگر سرعت پردازش کامپیوتر را دو برابر کنید، تعداد حدس‌هایی که در یک بازه زمانی انجام می‌شود دو برابر خواهد شد که قطعا در برابر رشد تعداد حالت‌ها اصلا به چشم نمی‌آید.

برآورد شده است که یک سیستم محاسباتی کلاسیک برای حدس زدن یک کلید ۵۵ بیتی به هزار سال زمان نیاز دارد. حداقل اندازه توصیه شده برای یک عبارت بازیابی (Seed) در بیت کوین ۱۲۸ بیت و برای بسیاری از کیف پول‌ها ۲۵۶ بیت است. این بدان معناست که حدس زدن این عبارت‌ها تقریبا غیرممکن است. بنابراین به نظر می‌رسد که محاسبات کلاسیک نمی‌توانند رمزنگاری نامتقارن را که در ارزهای دیجیتال و زیرساخت‌های اینترنتی به کار می‌رود تهدید کنند.

کامپیوترهای کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی دسته‌ای از کامپیوترها هستند که حل مسائل فوق برایشان بسیار ساده است. این کامپیوترها هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارند.

اصولی که کامپیوترهای کوانتومی بر مبنای آن شکل گرفته‌اند، همان اصول مربوط به نحوه رفتار ذرات زیر اتمی هستند که از طریق نظریه مکانیک کوانتوم می‌توان آنها را توضیح داد.

در کامپیوترهای کلاسیک، برای نشان دادن اطلاعات از بیت استفاده می‌شود که می‌تواند یکی از دو مقدار ۰ یا ۱ را بپذیرد. کامپیوترهای کوانتومی با بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت (Qubit) کار می‌کنند. کیوبیت واحد پایه پردازش کوانتومی اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی است. درست مانند بیت، کیوبیت هم می‌تواند دو مقدار ۰ یا ۱ را بپذیرد، با این تفاوت که به لطف رفتار عجیب و غریب پدیده مکانیک کوانتومی، کیوبیت می‌تواند همزمان هر دو مقدار ۰ و ۱ را داشته باشد.

به دلیل همین ویژگی جالب، دانشگاه‌ها و نیز شرکت‌های خصوصی برای انجام تحقیق و توسعه در حوزه محاسبات کوانتومی وقت و انرژی زیادی را به این رشته جدید اختصاص داده‌اند. مقابله با مشکلاتی که در نظریه انتزاعی و عملیات مهندسی این رشته وجود دارد جزو پیشرفته‌ترین دستاوردهای فنی بشر به شمار می‌رود.

متأسفانه یکی از جوانب منفی کامپیوترهای کوانتومی این است که احتمال دارد بتوانند به راحتی الگوریتم‌هایی را که اساس رمزنگاری نامتقارن را تشکیل می‌دهند حل کنند. این کار سیستم‌هایی را که بر مبنای این الگوریتم‌ها بنا شده‌اند در معرض خطر قرار می‌دهد.

بیایید دوباره مثال کلید ۴ بیتی را در نظر بگیریم، با این تفاوت که در اینجا به جای بیت، کیوبیت داریم. یک کامپیوتر کوانتومی به لحاظ تئوری قادر خواهد بود ۱۶ حالت مختلف را در یک زمان محاسبه کند. احتمال یافتن پاسخ درست در مدت زمانی که این کار محاسباتی به پایان می‌رسد ۱۰۰% است.

رمزنگاری مقاوم در برابر کامپیوترهای کوانتومی

توسعه فناوری محاسبات کوانتومی می‌تواند به رمزنگاری نامتقارن که پایه و اساس بیشتر زیرساخت‌های دیجیتال نوین ما از جمله ارزهای دیجیتال را تشکیل می‌دهد آسیب برساند. این فناوری می‌تواند امنیت، عملیات و ارتباطات کل جهان از حکومت‌ها و شرکت‌های چند ملیتی گرفته تا کاربران عادی را در معرض خطر قرار دهد. به همین دلیل تعجبی ندارد که این همه تحقیقات برای یافتن اقدامات متقابل در برابر این فناوری در دست انجام است. این الگوریتم‌های رمزنگاری که قرار است در برابر تهدید کامپیوترهای کوانتومی ایمن باشند، الگوریتم‌های «مقاوم در برابر کوانتوم» نامیده می‌شوند.

به نظر می‌رسد می‌توان خطر مربوط به کامپیوترهای کوانتومی را با رمزنگاری متقارن از طریق یک افزایش طول ساده در کلید کاهش داد. همان‌طور که می‌دانید در رمزنگاری متقارن فقط یک کلید وجود دارد که از آن برای رمزنگاری و رمزگشایی استفاده می‌شود. به اشتراک‌گذاری این کلید عمومی در مجرای باز با مخاطراتی همراه است. به همین دلیل این شیوه کنار گذاشته شد و رمزنگاری نامتقارن جای آن را گرفت. به دلیل رابطه ریاضی بین دو کلید در رمزنگاری نامتقارن، طول کلید عمومی در این روش باید خیلی بیشتر از طول کلید در رمزنگاری متقارن باشد تا سطح بالایی از امنیت را ارائه دهد. به همین دلیل پس از روی کار آمدن کامپیوترهای کوانتومی، شاید مجبور شویم دوباره از رمزنگاری متقارن استفاده کنیم.

از سوی دیگر، تحقیقاتی برای یافتن روش‌های مقابله با شنود در حال انجام است. شنودها در یک مجرای عمومی باز با همان اصول و روش‌هایی که برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی لازم است قابل شناسایی خواهند بود. احتمالا با این روش می‌توان فهمید یک کلید عمومی متقارن قبلا از سوی یک شخص ثالث خوانده و دستکاری شده است یا نه.

به جز اینها، تحقیقات دیگری هم برای مقابله با حملات احتمالی مبتنی بر کوانتوم در دست بررسی است. این تحقیقات روی روش‌هایی مانند هشینگ (استفاده از تابع درهم‌سازی) برای ایجاد پیام‌هایی با اندازه بزرگ، رمزنگاری مشبک‌بنیان (Lattice-based) و نظایر آنها متمرکز است. هدف تمامی این تحقیقات ایجاد انواع روش‌های رمزگذاری است که شکستن آنها برای کامپیوترهای کوانتومی دشوار باشد.

کامپیوترهای کوانتومی و استخراج بیت کوین

در استخراج بیت کوین هم از رمزنگاری استفاده می‌شود. ماینرها محاسباتی را برای حل یک معمای رمزنگاری در ازای به دست آوردن پاداش بلاک انجام می‌دهند. اگر یک ماینر به تنهایی به کامپیوتر کوانتومی دست یابد، ممکن است بر کل شبکه تسلط پیدا کند. این کار غیرمتمرکز بودن شبکه را کاهش می‌دهد و به این ترتیب احتمالا شبکه در معرض خطر حمله ۵۱ درصدی قرار خواهد گرفت.

با این حال، با توجه به گفته برخی کارشناسان این تهدید شاید آخرین چیزی است که باید نگرانش باشیم. دستگاه‌های ای‌سیک (مدارهای مجتمع با کاربرد خاص) می‌توانند تأثیر چنین حمله‌ای را حداقل در آینده نزدیک کاهش دهند. علاوه بر آن، اگر چندین ماینر به کامپیوترهای کوانتومی دست یابند، خطر چنین حمله‌ای به شکل قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.

جمع‌بندی

به نظر می‌رسد فقط زمان مشخص خواهد کرد که محاسبات کوانتومی چه مشکلاتی برای رمزگذاری نامتقارن فعلی ایجاد خواهند کرد. با این حال، موانع نظری و مهندسی بسیار بزرگی وجود که قبل از نگرانی برای تهدیدها ابتدا باید آنها را برطرف کرد.

از آنجا که خطرات زیادی امنیت اطلاعات را تهدید می‌کنند، منطقی است که از همین حالا اقداماتی را برای مقابله با بردارهای حمله در آینده آغاز کنیم. خوشبختانه، تحقیقات گسترده‌ای روی راه‌حل‌های بالقوه در حال انجام شدن است که بعدها می‌توان این راه‌حل‌ها را در سیستم‌های موجود تعبیه کرد. این راه‌حل‌ها به لحاظ نظری می‌توانند از زیرساخت‌های حیاتی ما در برابر کامپیوترهای کوانتومی محافظت کنند و بعید است که با گذشت زمان رنگ کهنگی بگیرند.

استانداردهای مقاوم در برابر کوانتوم می‌توانند به همان روشی که مرورگرهای شناخته‌شده و اپلیکیشن‌های پیام‌رسان خوشنام رمزگذاری را رونق بخشیدند، در دسترس عموم مردم قرار گیرند. پس از نهایی شدن این استانداردها، اکوسیستم ارز دیجیتال می‌تواند با قدرتمندترین دفاع ممکن در برابر این بردارهای حمله ادغام شود.