ظهور شاه‌کلید قفل‌های دیجیتال/ رایانه‌های کوانتومی رمزگذاری را بی‌معنا می‌کنند

خبرگزاری علم و فناوری آنا؛ بار‌ها شنیده‌ایم که هکر‌ها با سرقت اطلاعات کارت‌های بانکی، موجودی حساب افراد را خالی کرده‌اند و متخصصان توصیه‌هایی برای پیشگیری از آن دارند، اما اگر قرار باشد چنین اتفاقاتی به روند همیشگی تبدیل شود چه؟ یعنی دنیایی را تصور کنید که قفل اطلاعات الکترونیکی ناگهان از کار می‌افتند!

این یک سناریوی علمی، تخیلی نیست. زمانی که رایانه‌های کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند شوند، این نگرانی ممکن است به واقعیت تبدیل شود. این رایانه‌ها می‌توانند از ویژگی‌های عجیب دنیای کوانتومی برای رمزگشایی قفل‌هایی استفاده کنند که شکستن آنها برای رایانه‌های معمولی سال‌ها طول می‌کشد. ما نمی‌دانیم چه زمانی این اتفاق می‌افتد، اما بسیاری از مردم و سازمان‌ها در حال حاضر نگران سرقت اطلاعات رمزگذاری شده توسط مجرمان سایبری و ذخیره آن برای رمزگشایی رایانه‌های کوانتومی در آینده هستند.

با نزدیک شدن دوران ظهور رایانه‌های کوانتومی، رمزنگاران در تلاش‌اند تا طرح‌های محاسباتی جدیدی برای ایمن کردن داده‌ها در برابر حملات فرضی ابداع کنند. ریاضیات درگیر در این ماجرا بسیار پیچیده است، اما بقای دنیای دیجیتال ما شاید به همین تلاش وابسته باشد.

رمزگذاری ضد کوانتومی

نفوذ به سیستم‌های امنیتی آنلاین اغلب در یک مسئله ریاضی و در دو عدد خلاصه می‌شود که وقتی در یکدیگر ضرب می‌شوند، عدد سوم به دست می‌آید و این عدد کلید باز کردن قفل اطلاعات محرمانه است. با بزرگتر شدن این عدد، مدت زمانی که یک کامپیوتر معمولی برای حل این مشکل صرف می‌کند بیشتر می‌شود.

انتظار می‌رود رایانه‌های کوانتومی بتوانند در آینده این کد‌ها را خیلی سریع‌تر بشکنند. بنابراین، رقابت بر سر یافتن الگوریتم‌های رمزگذاری جدیدی است که می‌توانند در برابر یک حمله کوانتومی مقاومت کنند.

مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده سال‌ها است که الگوریتم‌های رمزگذاری «ضد کوانتومی» را خواستار شده و با وجود تلاش‌های فراوان برای ایجاد چنین الگوریتم‌هایی، تعداد بسیار کمی موفق به قبولی در این آزمون شده‌اند. یکی از الگوریتم‌های پیشنهادی به نام «کپسوله‌سازی کلید ایزوژنی فوق منفرد» بود که در سال ۲۰۲۲ با کمک نرم‌افزار ریاضی ماگما (Magma) در دانشگاه سیدنی توسعه یافته بود و به طرزی باورنکردنی شکست خورد.

این رقابت امسال داغ شده است. در ماه فوریه، اپل سیستم امنیتی خود را در پلتفرم آی مسیج (iMessage) به روزرسانی کرد تا از داده‌هایی که ممکن است در آینده توسط رایانه‌های کوانتومی جمع‌آوری شوند محافظت کرده باشند. دو هفته پیش، دانشمندان در چین اعلام کردند که برای محافظت از رایانه کوانتومی اوریجین ووکانگ (Origin Wukong) یک «سپر رمزگذاری» جدید نصب کردند و تقریباً در همین زمان، پژوهشگری به نام ییلِی چن (Yilei Chen)  کشف کرد که رایانه‌های کوانتومی به طور بالقوه می‌توانند نوعی الگوریتم را که شکستن آن بسیار دشوار است، هک کنند. این الگوریتم مبتنی بر بخشی از ریاضیات است که آن را به «مشبکه» می‌شناسند و نکته جالب این است که روش‌های مبتنی بر شبکه در سیستم امنیتی جدید آی مسیج (اپل) نیز با همین روش، یعنی «الگوریتم استاندارد پساکوانتومی» رمزگذاری شده است.

الگوریتم مشبکه چیست؟

الگوی «مشبکه» متشکل از نقاطی است که مانند کاشی‌های کف حمام یا ساختار یک الماس به طور منظم تکرار می‌شوند، اگرچه شبکه‌ها می‌توانند ابعاد زیادی داشته باشند (بیش از دو یا سه)، اما همه آنها از یک ایده اولیه برای تکرار نقاط به روشی قابل پیش‌بینی پیروی می‌کنند.

بخش بزرگی از رمزنگاری مشبکه، بر پایه یک سؤال به ظاهر ساده است: اگر یک نقطه مخفی را در چنین شبکه‌ای پنهان کنیم چقدر طول می‌کشد تا شخص دیگری این نقطه مخفی را پیدا کند؟ این بازی مخفی‌کاری می‌تواند راه‌های بیشتری برای محافظت از داده‌ها ایجاد کند.

نوع دیگری از مشبکه که به «یادگیری با خطا» شناخته می‌شود بسیار پیچیده است و شکستن رمز آن حتی برای رایانه کوانتومی نیز دشوار است. با بزرگ شدن اندازه مشبکه، مقدار زمان لازم برای پیچیدگی آن حتی برای رایانه کوانتومی نیز به‌طور تصاعدی افزایش می‌یابد.

یکی دیگر از روش‌های رمزگذاری بر اساس دشواری فاکتورگیری اعداد بزرگ انجام می‌شود، اما مشکل دیگری به نام «مسئله زیرگروه پنهان» وجود دارد که ارتباط نزدیکی با این روش دارد و حل آن نیز بسیار دشوار است. این مسئله در بسیاری از زمینه‌ها از جمله علوم کامپیوتر و ریاضیات کاربرد‌های مهمی دارد.

رویکرد ییلی چن نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی ممکن است بتوانند مسائل مشبک را تحت شرایط خاص سریع‌تر حل کنند. بر همین اساس، کارشناسان نتایج او را بررسی کردند و به سرعت یک خطا پیدا کردند. پس از کشف این خطا، چن نسخه به‌روز شدۀ مقاله خود را منتشر کرد و به توصیف این خطا پرداخت.

مقاله چن باعث شده است که بسیاری از رمزنگاران به امنیت روش‌های مشبکه بی‌اطمینان شوند و برخی هنوز در حال ارزیابی هستند که چگونه می‌توان از ایده‌های چن برای رفع این خطا استفاده کرد.

نیاز به توسعه ریاضیات

مقاله چن طوفانی در جامعه کوچک رمزنگاری به پا کرد، اما در سطح جهانی تقریباً هیچ‌توجهی به آن نشد؛ شاید به این دلیل که شمار کمی از مردم ارزش این کار یا پیامد‌های آن را درک می‌کنند.

سال گذشته، زمانی که دولت استرالیا به سراغ یک استراتژی ملی کوانتومی رفت تا کشورش را در صنعت کوانتومی، جهانی کند، یک اشتباه بزرگ انجام داد: اصلا به ریاضیات نپرداخت! استفاده حداکثری از رایانه‌های کوانتومی و آمادگی برای گسترش آنها به آموزش عمیق ریاضی برای تولید دانش و تحقیقات جدید نیاز دارد.

این گزارش از پایگاه خبری دِکانورسیشن به فارسی برگردان شده است.