نحوه حفظ اسرار در عصر کوانتومی

فرارو- شما به ایده‌های ریاضی جدیدی نیاز دارید که برخی از این ایده‌ها به تازگی استاندارد شده‌اند.

به گزارش فرارو به نقل از اکونومیست، معمولا اتفاق نیفتاده که قدری ریاضیات ذهنی بتوان از فاجعه جلوگیری کند. با این وجود، پژوهشگران موسسه ملی استاندارد و فناوری امریکا (nist) تلاش خود را در این حوزه انجام داده است: هفته گذشته، پس از سال‌ها تجزیه و تحلیل آن موسسه مهر تایید خود را بر برخی معادلاتی زد که ممکن است به مرور زمان پتابایت (واحد‌های حافظه رایانه، هر پتابایت برابر ۱۰۳ ترابایت است)‌ ناگفته داده‌های حساس را از چشمان کنجکاو نجات دهد.

استاندارد‌های رمزگذاری موجود که زیربنای تقریبا هر مبادله آنلاین اطلاعاتی است کمی ریاضیات گره دار طراحی شده است که برای رایانه‌های امروزی تقریبا غیرممکن می‌باشد که تنها بدون کلید حسابی مناسب آن را بشکنند. با این وجود، دانشمندان موسسه ملی استاندارد و فناوری امریکا در مورد ماشین‌های امروزی فکر نکرده‌اند آنان نگران عصر آینده رایانه‌های کوانتومی هستند.

آنان از عجیب و غریب بودن دنیای کوانتومی برای انجام محاسباتی استفاده کرده‌اند که اساسا متفاوت از روش‌های محاسباتی مورد استفاده توسط رایانه‌های معمولی هستند. این کار یک مزیت نظری عظیم در تعداد کمی از انواع مسائل را به همراه می‌آورد از جمله شناسایی عوامل اول (اعدادی که تنها بر خودشان تقسیم می‌شوند و یک که می‌توانند با هم ضرب شوند تا عدد مورد نظر به دست آید) و محاسبه ویژگی‌های نقاط روی توابعی که منحنی‌های بیضوی نامیده می‌شوند.

هر دو مورد به طور گسترده در رمزنگاری استفاده می‌شوند. rsa الگوریتمی مبتنی بر فاکتورسازی در کنار رمزنگاری منحنی بیضوی در اکثر اتصالات اینترنتی و در شبکه‌های خصوصی مجازی، سرویس‌های پیام رسانی از جمله واتس آپ و سیگنال و مرورگر وب ناشناس Tor استفاده می‌شود. با این وجود، هر دو در برابر یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی پیشرفته که الگوریتم Shor (الگوریتمی که در سال ۱۹۹۵ میلادی توسط پیتر شور یک ریاضیدان امریکایی ساخته شد) را اجرا می‌کند در هم می‌ریزند.

به نظر می‌رسد پیشرفت در حال شتاب گرفتن است. برخی از بزرگ‌ترین شرکت‌های جهان و مجموعه‌ای از استارت آپ‌های موفق و دانشگاه‌ها روی سخت‌افزار (رایانه‌های واقعی)، تصحیح خطا (برای ارائه وفاداری) و نرم افزار (الگوریتم‌های تنظیم شده برای بهره برداری از محاسبات رایانه‌های کوانتومی) کار می‌کنند. این که احتمال ساخت آن غیرممکن غیرعملی یا بسیار گران باشد اکنون اندک به نظر می‌رسد. این بدان معناست که احتمالا یک ماشین کوانتومی «مرتبط با رمزنگاری» در راه است.

نظرسنجی‌ای که از کارشناسان در سال ۲۰۲۱ میلادی انجام شد نشان داد که اکثر آنان معتقدند که تا سال ۲۰۳۶ میلادی rsa-۲۰۴۸ یک پروتکل رمزگذاری استاندارد صنعتی موجود که از کلید‌هایی با طول ۲۰۴۸ بیت استفاده می‌کند می‌تواند ظرف مدت ۲۴ ساعت شکسته شود.

این بدان معناست که توسعه آینده رایانه‌های کوانتومی امروزه پیامد‌های نگران کننده‌ای دارد. مهم‌ترین تهدید‌ها ناشی از حملات «اکنون برداشت، بعدا رمزگشایی» است که در آن داده‌های رمزگذاری شده به صورت انبوه برای رمزگشایی کوانتومی در زمانی که فناوری اجازه می‌دهد جمع‌آوری می‌شوند.

اگرچه بخش کوچکی از گفتگو‌های اینترنتی امروزی احتمالا برای هکر‌های برای مثال سال ۲۰۴۰ میلادی مورد توجه قرار می‌گیرد، اما بسیاری از داده‌ها سوابق پزشکی، ارتباطات امنیت ملی یا جزئیات فنی زیرساخت‌های طولانی مدت ممکن است تا آن زمان ارزش خود را حفظ کنند. داده‌هایی که امروزه خواه ناخواه ارسال می‌شوند با فرض نفوذ ناپذیری لازم نیست از نظر استراتژیک برای هکر‌ها مرتبط باشند تا آن را برای صاحبان کسب و کار‌ها یا مقام‌هایی که این ارسال را انجام می‌دهند باعث شرمندگی یا خطر سازد.

«کالین سوتار» مدیر عامل شرکت مشاوره Deloitte Risk and Financial Advisory مقایسه‌ای را با «باگ هزاره» انجام می‌دهد. مسئله ساده بود در بسیاری از نرم افزار‌ها و در هنگام ثبت یا محاسبه تاریخ تنها دو رقم آخر سال نمایش یا محاسبه می‌شود و با شروع هزاره جدید یا بهتر بگوییم قرن جدید دو رقم آخر سال دو صفر می‌شد که معلوم نبود دقیقا اشاره به کدام سال است.

او می‌گوید: «انتظار می‌رفت که باگ هزاره باعث هرج و مرج شود. زمانی که رایانه‌هایی با نرم افزار‌هایی که سال‌ها به صورت مقادیر دو رقمی رمزگذاری می‌کردند در آغاز هزاره از ۹۹ به ۰۰ بازگردند و ناگهان به یک قرن پیش بروند. اگرچه باگ هزاره بعدا به عنوان طوفانی در یک فنجان چای قلمداد شد، اما تنها ارتقای نرم افزاری جهان بود که از وقوع بلایای دیجیتالی جلوگیری کرد».

البته این قیاس کاملی نیست. ترس از اشکال هزاره شناخته شده بود: مقیاس مشکل نامشخص، اما جدول زمانی مشخص بود. برای روز قیامت کوانتومی، اما وضعیت برعکس است. با این وجود، در هر دو مورد پیام یکسان است: یا اکنون اقدام کنید یا بعدا هزینه را پرداخت خواهید کرد.

یک راه رو به جلو، استفاده از دفاع‌های کوانتومی در برابر حمله‌های کوانتومی است که به عنوان توزیع کلید کوانتومی شناخته می‌شود. با این وجود، این کار نیاز به کیت گران قیمت و اتصالات اختصاصی دارد. دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ ممکن است آن را مدیریت کنند، اما دولت و شرکت‌های کوچک‌تر آن را کار سختی می‌بینند.

یک رویکرد امیدوارکننده‌تر شناسایی کلاس‌های جدیدی از مسائل ریاضی است که حتی ماشین‌های کوانتومی نیز برای شکستن آن‌ها تلاش می‌کنند. در سال ۲۰۱۶ میلادی رقابتی برای یافتن الگوریتم‌های ارزشمند به منظور «رمزنگاری پسا کوانتومی» (pqc) راه اندازی شد و ۸۲ مورد ارسالی از ۲۵ کشور دریافت شد. پس از سه دور بررسی و جستجو در مورد آسیب‌پذیری‌ها توسط رمزنگاران مستقل چهار تکنیک برنده و چهار رویکرد پشتیبان پدیدار شدند.