محاسبات کوانتومی چگونه امنیت سایبری را تغییر خواهد داد؟

یکی از موضوعات نسبتا شناخته شده در دنیای تکنولوژی، بحث کامپیوترهای کوانتومی و نحوه پردازش و تعامل آن‌ها در مواجهه با اطلاعات است. کامپیوترهای کوانتومی قدرتی به مراتب فراتر از کامپیوترهای عادی دارند. اما سوال این است که محاسبات کوانتومی چگونه امنیت سایبری را تغییر خواهد داد؟ با ترنجی همراه باشید.

محاسبات کوانتومی چگونه امنیت سایبری را تغییر خواهد داد؟

جهش بزرگ در عملکرد محاسبات کوانتومی، تهدیدی برای شکل سنتی امنیت سایبری است، اما اقداماتی وجود دارد که می‌توان برای محافظت در برابر آینده پردازش کوانتومی برداشت. محاسبات کوانتومی هنوز مانند قلمرو علمی تخیلی به نظر می‌رسد. وعده این فناوری، آن است که محاسبات کوانتومی می‌تواند محاسبات را بیش از صد میلیون بار سریع‌تر از سریعترین ابر رایانه‌های فعلی انجام دهد. این موضوع، پیامدهای بسیار مثبتی برای حل مشکلات بزرگ در علم خواهد داشت.

کامپیوتر کوانتومی

اما یک مشکل جانبی بسیار مهم هم وجود دارد. این مشکل چیزی نیست جز اینکه رمزگذاری‌هایی که شکستن آن با رایانه‌های معمولی هزاران سال طول می‌کشید، اکنون می‌توان آن‌ها را در عرض چند دقیقه یا حتی چند ثانیه با یک کامپویتر کوانتومی انجام داد. معنای امروزی این است که هکرها و مهاجمان در حال حاضر می‌توانند داده‌ها را ذخیره کنند و در سال‌های آینده با یک کامپیوتر کوانتومی به آن‌ها حمله کنند. برخی از داده‌های تجاری و شخصی در آینده بسیار حساس باقی خواهند ماند. بنابراین، برای مقاومت در برابر حملات محاسباتی کوانتومی، ارزش محافظت از داده‌ها بسیار مهم است.

محاسبات کوانتومی اصولا چگونه انجام می‌شود؟

افزایش عملکرد محاسبات کوانتومی در مقایسه با ماشین‌های فعلی فون نیومن چنان جهش بزرگی است که می‌توان به راحتی باور نکردن آن را پذیرفت. اما سرعت، محصول فرعی نحوه عملکرد محاسبات کوانتومی است که به طور قابل توجهی متفاوت است. تراشه رایانه‌های سنتی هنوز بر اساس مفهوم محاسباتی هستند که توسط جان فون نویمان ابداع شد و در سال ۱۹۴۵ منتشر شد.

در این سیستم، هر عملیات به صورت متوالی انجام می‌شود؛ با خوانده شدن اطلاعات از دستگاه ورودی، یک پردازش منطقی روی آن صورت گرفته و سپس خروجی ارائه می‌شود. حتی ابرکامپیوترهای موازی هم به این شکل عمل می‌کنند. اگر آن‌ها هزاران عملیات را همزمان انجام دهند، هر کدام همچنان به صورت متوالی توسط هسته CPU اجرا می‌شوند.

پردازنده‌های گرافیکی ساده‌تر از پردازنده‌ها هستند، اما دارای واحدهای متوالی نیز هستند، البته با موازی‌ سازی پردازش اطلاعات بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند.محاسبات سنتی همچنین با بیت‌ها کار می‌کند که دارای دو حالت هستند و معمولا به صورت ۰ و ۱ نشان داده می‌شوند. ورودی یک حالت خواهد بود و پس از عملیات خروجی همان حالت یا یک حالت دیگر خواهد بود.

همانطور که فرآیندها پیچیده‌تر می‌شوند و احتمالات بیشتری برای محاسبه وجود دارد، تقسیم آن‌ها به محاسبات متوالی و فردی می‌تواند به این معنی باشد که آن‌ها بسیار فراتر از قابلیت‌های معماری‌های فعلی پردازنده‌ها هستند. اما کامپیوترهای کوانتومی اینگونه کار نمی‌کنند. یک کامپیوتر کوانتومی به جای اینکه تعداد زیادی هسته محاسباتی را به صورت موازی و جداگانه برای اجرای هر عملیات متوالی روی تک تک بیت‌ها به کار گیرد، بر روی احتمال وضعیت یک جسم قبل از اندازه گیری آن کار می‌کند.

این حالت‌ها که به عنوان کیوبیت شناخته می‌شوند، ویژگی‌های تعریف‌ نشده یک جسم قبل از تشخیص آن هستند، مانند قطبش یک فوتون یا اسپین یک الکترون. از آنجایی که این حالت‌های کوانتومی قبل از اندازه‌ گیری موقعیت مشخصی ندارند، به جای دو موقعیت، موقعیت‌های مختلف ممکن را به طور همزمان با هم مخلوط می‌کنند. با این حال، علی‌رغم اینکه تا زمانی که نتیجه اندازه‌ گیری نشده است، این حالت‌های ترکیبی را می‌توان با حالت‌های دیگر اشیاء به روش ریاضی مرتبط درهم کرد.

با اعمال ریاضیات، این درهم تنیدگی در یک الگوریتم و مسائل پیچیده را می‌توان اساسا در یک عملیات ساده‌تر حل کرد. از یک طرف، این می‌تواند برای علوم مختلف بسیار دشوار مانند پیش‌بینی فعل و انفعالات چند ذره در یک واکنش شیمیایی یا ایجاد کدهای امنیتی که شکستن آن‌ها بسیار دشوارتر از کدهای فعلی است، استفاده شود. اما برعکس، می‌توان از آن‌ها برای شکستن کدهای موجود استفاده کرد که انجام این کار با فناوری رایانه‌ای فعلی غیرممکن است، زیرا می‌توانند راه‌حل‌های زیادی را به طور همزمان اجرا کنند.

با در نظر گرفتن این موضوع، یک کامپیوتر معمولی حدود ۳۰۰ تریلیون سال، یعنی ۲۲.۰۰۰ برابر سن کیهان طول می‌کشد تا رمزگذاری RSA 2048 بیتی را بشکند. اما یک کامپیوتر کوانتومی با ۴۰۹۹ کیوبیت با استفاده از الگوریتم Shor که برای یافتن فاکتورهای اولیه یک عدد صحیح در کلیدهای رمزگذاری طراحی شده است، فقط به ۱۰ ثانیه زمان نیاز دارد تا این پردازش را انجام دهد. واضح است که با این حساب، خطری برای بسیاری از اشکال مختلف رمزنگاری وجود دارد. به عنوان مثال، SSL و TLS، در همه جا حاضر برای رمزگذاری اتصالات وب از کلیدهای RSA 2048 بیتی استفاده می‌کنند و بنابراین در معرض نفوذ توسط یک کامپیوتر کوانتومی هستند.

سرعت کامپیوترهای کوانتومی فعلی چقدر است؟

خبر خوب این است که ما هنوز در این مرحله حضور نداریم. در حالی که ۴۰۹۹ کیوبیت، به اندازه پردازنده‌های ۶۴ هسته‌ای که بیش از ۳ میلیارد عملیات را در ثانیه (در هر هسته) انجام می‌دهند زیاد به نظر نمی‌رسد، اما هنوز از قوی‌ترین کامپیوتر کوانتومی فعلی بیشتر است. IBM’s Eagle که در پایان سال ۲۰۲۱ رونمایی شد، تنها ۱۲۷ کیوبیت قدرت پردازش دارد. Sycamore گوگل فقط ۵۳ کیوبیت  و کامپیوتر کوانتومی دانشگاه علم و صنعت جیوژانگ چین نیز ۷۶ کوبیت قدرت دارد و اکثر پردازنده‌های کوانتومی (QPU) کمتر از ۵۰ کیوبیت توان پردازش دارند.

پردازنده‌های «quantum annealing» از D-Wave با حداکثر ۵۷۶۰ کیوبیت وجود دارد، اما اینها به مجموعه محدودی از نتایج ممکن نیاز دارند و نمی‌توانند الگوریتم Shor را که برای شکستن رمزگذاری لازم است اجرا کنند. با این حال، توسعه این دستگاه‌ها رو به جلو است. Xanadu قصد دارد یک پردازنده کوانتومی ۲۱۶ کوبیتی به نام Borealis را در سال ۲۰۲۲ عرضه کند و IBM قصد دارد در سال ۲۰۲۲ با Osprey به قدرت ۴۳۳ کیوبیت و با Condor در سال ۲۰۲۳ به ۱۱۲۱ کیوبیت برسد.

بنابراین اگرچه رمزگذاری سنتی در حال حاضر ایمن باقی می‌ماند، اما اینطور نخواهد بود. لازم به ذکر است که شرکت IBM، کامپیوتر کوانتومی دیگری با توان ۴۱۵۸ کیوبیت را تا سال ۲۰۲۵ هدف گذاری کرده است و این احتمال را می‌دهد که شکستن RSA 2048 بیتی تقریبا در زمان واقعی قبل از سال ۲۰۳۰ امکان پذیر باشد. در واقع این آخرین سالی است که NIST در ابتدا تصور می‌کرد هنوز امن است. بنابراین ممکن است تا سال ۲۰۳۰ نتوانید به راحتی یک کامپیوتر رومیزی با محاسبات کوانتومی بخرید.

زیرا اولین کامپیوتر کوانتومی تجاری موجود D-Wave در زمان تحویل در سال ۲۰۱۷، حدود ۱۵ میلیون دلار قیمت داشت. البته به مرور قیمت‌ها کاهش می‌یابد، اما این احتمال وجود دارد که شرکت‌ها و کشورهای بزرگی مشتری این سیستم‌ها شوند که برای سال‌های آینده دارای QPU هستند. با این حال، همه آن کشورها، چنین سیستم‌هایی را برای منافع خود می‌خواهند، پس خطر این فناوری در آینده نزدیک، بیشتر خواهد شد.

افزایش امنیت سایبری در برابر محاسبات کوانتومی

خوشبختانه، زمان کافی برای آماده شدن در مقابل تهدید کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. به عنوان مثال، با استفاده از محصولات امنیتی مبتنی بر رمزنگاری کوانتومی می‌توان از خط این سیستم‌های پر سرعت در امان بود. این محصولات می‌توانند از داده‌های حساس امروز شما محافظت کنند و در آینده در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی نیز محافظ اطلاعات شما باشند.

الگوریتم‌های رمزگذاری کنونی از فاکتورسازی اعداد صحیح، لگاریتم‌های گسسته یا لگاریتم‌های گسسته با منحنی بیضوی استفاده می‌کنند که الگوریتم Shor با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند همه آن‌ها را به سادگی شکست دهد. رمزنگاری کوانتومی محور به رویکردهای جایگزینی اطلاق می‌شود که در برابر محاسبات کوانتومی آسیب‌پذیر نیستند.

به گفته TechRadar، تحقیقات هنوز در مراحل اولیه خود بر اساس شش روش اصلی است، اما در حال حاضر محصولاتی وجود دارند که از این فناوری استفاده می‌کنند. یک مثال QST-VPN است که بر اساس کتابخانه OpenVPN اما با الگوریتم‌های ایمن کوانتومی‌محور که از داده‌های کاربر محافظت می‌کند، توسعه یافته است. نرم‌افزار سرور از طریق سیستم کلاد AWS با کلاینت‌هایی برای ویندوز، MacOS و طیف وسیعی از توزیع‌های لینوکس ارائه می شود و فرصتی را برای کسب و کارها فراهم می‌کند تا امنیت خود را در حال حاضر تقویت کنند، نه پس از رایج شدن شدن محاسبات کوانتومی.

محاسبات کوانتومی پتانسیل عظیمی برای متحول کردن سرعت ما در انجام محاسبات دارد. مانند توسعه هر فناوری جدید، این فناوری نیز پیامدهای خوب و بد دارد. اما اکنون که می‌دانیم در آینده‌ای نه چندان دور چه چیزی در انتظار امنیت سایبری است، حداقل می‌توانیم خود را آماده کنیم تا پتانسیل سودمند محاسبات کوانتومی بر احتمالات پلیدتر آن غالب شود. نظر شما کاربران ترنجی درباره محاسبات کوانتومی و وضعیت آینده امنیت سایبری چیست؟!