استفاده از کامپیوتر کوانتومی در ارزهای دیجیتال و خطرات آن برای بیت کوین

کامپیوترهای کوانتومی، ماشین‌های بسیار قدرتمندی هستند که می‌توانند معادلات پیجیده را بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای عادی حل کنند. برخی از متخصصین اعلام کرده‌اند که یک کامپیوتر کوانتومی قادر است یک رمزنگاری را که یک کامیپتر عادی ممکن است هزاران سال برای کرک کردن آن زمان نیاز داشته باشد، در زمانی کوتاه به راحتی باز کند. در نتیجه، بسیاری از ساختارهای امنیتی دیجیتال می‌توانند با این وجود در معرض ریسک قرار داشته باشند که از جلمه آن‌ها می‌تواند به بیت کوین و دیگر ارزهای رمزنگاری شده اشاره کرد.

در ادامه این مطلب از کوین نیک، نگاهی به استفاده از کامپیوتر کوانتومی خواهیم داشت و ریسک‌هایی که ممکن است در دنیای ارزهای دیجیتال ایجاد کنند را بررسی می‌کنیم.

رمزنگاری نامتقارن و امنیت اینترنت

رمزنگاری نامتقارن که با نام رمزنگاری کلید عمومی (Asymmetric Cryptography) شناخته می‌شود، یکی از اجزای حیاتی اکوسیستم ارزهای رمزنگاری شده محسوب می‌شود و زیر ساخت بخش بزرگی از اینترنت است. این اجزای مهم، برای رمزگذاری و رمزگشایی، وابسته به کلید‌ها هستند که در دنیای بلاک چین، به عنوان کلید عمومی و کلید خصوصی شناخته می‌شوند. وظیفه کلید عمومی رمزگذاری و وظیفه کلید خصوصی رمزگشایی است. این عمل، کاملا برعکس الگرویتم کلید متقارن (Symmetric key cryptography) شناخته می‌شود که فقط از یک کلید برای رمزگذاری و رمزگشایی استفاده می‌کند.

یک کلید عمومی را می‌توان آزادانه در فضای عمومی به اشتراک گذاشت و برای رمزگذاری اطلاعات از آن استفاده کرد، اما فقط در صورت وجود کلید خصوصی است که می‌توان این اطلاعات را رمزگشایی کرد. همانطور که از نامش پیدا است، کلید خصوصی یک حریم شخصی است و نباید آن را با هیچکس به اشتراک گذاشت.

این مطلب راهم مطالعه کنید: معرفی انواع بلاک چین به زبان ساده، بلاک چین عمومی، خصوصی و کنسرسیوم چه تفاوتی دارند؟

یکی از مزیت‌های اصلی استفاده از شیوه رمزنگاری نامتقارن این است که این توانایی را ایجاد می‌کند تا بدون نیاز به اشتراک گذاری کلید‌های عمومی در کانال‌های نامطمئن، اطلاعات را به‌راحتی تبادل کنیم. بدون این قابلیت حیاتی، اطلاعات امنیتی پایه در اینترنت غیر ممکن بودند. برای مثال، بدون وجود توانایی رمزگذاری امن اطلاعات برای تبادل بین مشترکین غیرقابل اطمینان، سیستم بانکداری آنلاین غیر ممکن به نظر می‌رسید.

برخی از موارد امنیتی رمزنگاری ناتقارن به این فرضیه تکیه دارد که الگوریتم‌های تولید شده توسط زوج کلیدهای عمومی و خصوصی بسیار پیچیده هستند و کرک کلید خصوصی از طریق کلید عمومی بسیار سخت است. در معادله ریاضیات، این روش را تابع دریچه (Trapdoor Function) می‌گویند، چرا که از یک سو به آسانی محاسبه می‌شود، اما از سوی دیگر محاسبه آن برای پردازنده‌ها بسیار سخت است.

در حال حاضر، بسیاری از الگوریتم‌های مدرن برای ایجاد زوج کلید عمومی و کلید خصوصی از معادله ریاضی شناخته شده تابع دریچه استفاده می‌کنند. دلیل استفاده از این معادله این است که حتی برای ماشین‌های قدرتمند هم بسیار سخت و زمان‌بر است که این محاسبات را انجام دهند.

اما این مسئله به زودی تغییر خواهد کرد، چرا که کامپیوترهایی در حال توسعه هستند که سطح جدیدی از قدرت محاسباتی را در اختیار قرار می‌دهند، این کامپیوترها، کامپیوتر کوانتومی نام دارند.

اما قبل از معرفی کامپیوترهای کوانتومی، ابتدا نگاهی به کامپیوترهای عادی خواهیم داشت.

کامپیوترهای کلاسیک

کامپیوترهایی که ما امروزه می‌شناسیم را می‌توان کامپیوترهای کلاسیک نام گذاری کرد. به این معنی که محاسبات درون این کامپیوترها به صورت ترتیبی انجام می‌شوند. محاسبه ترتیبی به این صورت است که ابتدا یک وظیفه انجام می‌شود و سپس وظیفه بعدی شروع می‌شود. دلیل این امر این است که حافظه‌های مورد استفاده درون کامپیوترهای کلاسیک باید از قاتون فیزیک پیروی کنند و تنها قادر هستند در موقعیت ۰ یا ۱ قرار بگیرند.

هر چند در طول سالیان سال سخت‌افزارهای کامپیوترهای کلاسیک پیشرفت زیادی داشته‌اند و نرم‌ افزارها و سخت‌ افزارهای مختلفی تولید شده‌اند که اجازه می‌دهند تا محاسبات پیچیده را به تکه‌های کوچک‌تر تقسیم کنند تا بتوانند عملکرد محاسباتی خود را افزایش دهند. هر چند، پایه و اساس هنوز همان است و تغییری نکرده است؛ کامپیوتر کلاسیک یک وظیفه محاسباتی را باید انجام بدهد و سپس به سراغ وظیفه بعد برود.

برای مثال، در نظر بگیریم که یک کامپیوتر باید یک کلید ۴ بیتی را حدس بزند. هر یک از این ۴ بیت، یا ۰ هستند یا ۱. بنابراین ۱۶ احتمال مختلف وجود دارد. یک کامپیوتر کلاسیک نیاز دارد تا هر یک از این احتمالات را به شکلی جداگانه حدس بزند. آن هم به ترتیب و نه به صورت هم‌زمان. حال تصور کنید که یک کامپپیوتر باید ۱۶ کلید را روی یک زنجیره حدس بزند و هر یک از این ۱۶ تا کلید هم باید به صورت جداگانه و به‌ترتیب انجام شوند. حال ممکن است حدس اول درست باشد یا ممکن است آخرین حدس درست از آب در بیاید.

این مطلب راهم مطالعه کنید: تفاوت بیت کوین با بلاک چین به زبان ساده

از آن مهم‌تر، اگر طول یک کلید بیشتر باشد، بنابراین ترکیبات بیشتر می‌شود و زمان حدس زدن هم بسیار بیشتر می‌شود. در ادامه مثال بالا، اگر یک کلید ۴ بیتی را به یک کلید ۵ بیتی اضافه کنیم، بنابراین ۳۲ حدس احتمالی باید انجام شود. آن را به ۶ بیتی تبدیل کنید و ۶۴ احتمال ایجاد می‌شود. زمانی که به کلید ۲۵۶ بیتی برسیم، تعداد محاسبات و ترکیباتی که باید کامپیوتر حدس بزند، به اعداد اتمی می‌رسد.

در نقطه مقابل، سرعت پردازش محاسباتی تنها به شکل خطی رشد می‌کند. دو برابر کردن سرعت پردازش یک کامپیوتر تنها باعث دو برابر شدن تعداد حدسیاتی می‌شود که کامپیوتر در یک زمان می‌تواند انجام دهد. مشخص شده است که یک هزاره طول می‌کشد تا کامپیوتر کلاسیک قادر باشد یک کلید ۵۵ بیتی را حدس بزند. برای مرجع، جالب است بدانید که حداقل حجم برای یک سید استفاده شده در بیت کوین، ۱۲۸ بیت است و برای پیاده سازی بسیاری از کیف پول‌های دیجیتالی، از ۲۵۶ بیت استفاده می‌شود.

بنابراین به این نتیجه می‌رسیم که محاسبات روی کامپیوترهای کلاسیک هیچگاه قادر نخواهند بود یک تهدید برای رمزنگاری نامتقارن در ساختار اینترنت و امنیت ارزهای رمزنگاری شده باشند.

کامپیوترهای کوانتومی

پس از کامپیوترهای کلاسیک به کامپیوتر کوانتومی می‌رسیم، کامپیوتری که در اولین قدم‌های توسعه خود قرار دارد و هدف آن، حل چنین مشکلات محاسباتی است که هرگز توسط یک کامپیوتر کلاسیک قابل حل نیست. کامپیوترهای کوانتومی، بر اساس اصول پایه‌ای شرح داده شده در تئوری ماشین‌های کوانتومی هستند.

در کامپیوترهای کلاسیک، یک بیت برای ارائه اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گرفت و هر یک بیت یا می‌توانست رقم ۱ یا ۰ باشد. اما در نقطه مقابل، واحد پردازشی یک کامپیوتر کوانتمی، بیت کوانتومی یا کیوبیت (Qubit) نام دارد. کیوبیت واحدهای پایه اطلاعات درون یک کامپیوتر کوانتومی هستند. درست همانند بیت، یک کیوبیت با رقم ۰ و ۱ تشکیل می‌شود. اما به لطف خصوصیات پدیده مکانیکی کوانتومی، هر یک کیوبیت در یک زمان واحد هم می‌تواند ۰ باشد و هم می‌تواند ۱ باشد.

این ویژگی باعث شد تا تحقیقات و توسعه‌ها به سمت زمینه محاسبات کوانتمی برود. هم دانشگاه‌ها و هم شرکت‌های خصوصی زمان و پول زیادی را برای تحقیق در این زمینه انجام می‌دهند. غلبه بر نظریه‌های انتزاعی و مشکلات مهندسی عملی که در این زمینه ارائه شده است، پیشگام و پیشرفته‌ترین دستاورد تکنولوژیکی انسان‌ها است.

متاسفانه، با این که چنین کامپیوترهایی می‌توانند به شدت در پیشرفت انسان‌ها کمک کنند، اما عوارض جانبی خود را دارد که یکی از آن‌ها، حل شدن راحت کلید‌های رمزنگاری نامتقارن است و به راحتی می‌تواند این سیستم را بشکند.

برای مثال، دوباره یک کلید ۴ بیتی را در نظر بگیرید. یک کامپیوتر ۴ کیوبیتی اساسا می‌تواند هر ۱۶ حدس موجود را به شکل هم‌زمان انجام دهد. هر ۱۶ حدس ممکن، در یک زمان واحد و در یک وظیفه، انجام می‌شوند و کلید مورد نظر با یک حدس درست ۱۰۰ در صدی پیدا می‌شود؛ آن هم بدون هیچ تاخیری. پس می‌توان نتیجه گرفت که امکان هک‌شدن کیف پول‌های بیت کوین توسط کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد.

این مطلب راهم مطالعه کنید: تفاوت بلاک چین غیرمتمرکز و توزیع شده با سایر شبکه‌های متمرکز چیست؟

رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم

ظهور تکنولوژی محاسبات کوانتومی می‌تواند باعث تضعیف رمزنگاری‌هایی شود که زیربنای بسیاری از زیرساخت‌های دیجیتالی مدرن، از جمله ارزهای رمزنگاری شده هستند.

این مسئله می‌تواند امنیت، عملیات‌ها و ارتباطات کل دنیا را تحت ریسک قرار دهد و فرقی نمی‌کند چه کسی باشد،‌از دولت‌ها و شرکت‌های خصوصی گرفته تا مردم عادی، در معرض خطر قرار خواهند گرفت. بنابراین جای تعجبی نیست که بخش قابل توجهی از تحقیقات به سمت اختراع راه مقابله‌ای با این مشکل دنیای تکنولوژی حرکت کند. الگوریتم‌های رمزنگاری که انتظار می‌رود بتوانند در برابر تهدید کامپیوترهای کوانتومی امن و مقاوم باشند، به الگوریتم‌های مقاوم در برابر کوانتوم (Quantum Resistant Algorithms) شناخته می‌شوند.

در سطح اولیه، به نظر می‌رسد که می‌توان برای کاهش خطر و ریسک کامپیوترهای کوانتومی، طول کلید‌های رمزنگاری نامتقارن را افزایش داد. اما این راه حل به دلیل اشتراک گذاری کلید‌ها در کانال‌های باز، کنار می‌رود.

البته مشکل اشتراک گذاری کلید‌ها در یک کانال باز را می‌توان با خود رمزنگاری کوانتومی حل کرد. می‌توان با استفاده از قدرت خود محاسبات کوانتومی، به راحتی عوامل نفوذی و مخرب در یک شبکه را شناسایی کرد.

در حال حاضر تحقیقات مختلفی برای مقابله با حمله‌های کوانتومی در حال انجام است. برخی از این تحقیقات در مورد ایجاد هشینگ‌های بزرگ هستند و برخی‌های دیگر سعی دارند روش‌های رمزنگاری جدیدی را ایجاد کنند. تمامی این تحقیقات در تلاش هستند تا راهی را کشف کنند که کامپیوترهای کوانتومی به راحتی قادر به شکستن آن‌ها نباشند.

کامپیوترهای کوانتوم و استخراج بیت کوین

در ماینینگ بیت کوین هم از رمزنگاری استفاده می‌شود. ماینرها در رقابت هستند تا با حل پازل‌های رمزنگاری شده، بتوانند پاداش دریافت کنند. اما اگر فقط یک ماینر به یک کامپیوتر کوانتومی دسترسی پیدا کند، قادر خواهد بود در شبکه حکم‌فرمایی کند و روی آن تسلط داشته باشد. این مسئله باعث کاهش شدید ویژگی غیرمتمرکز بودن شبکه می‌شود و فضای مناسب برای حمله ۵۱ درصد (۵۱% Attack) را ایجاد می‌کند.

این مطلب راهم مطالعه کنید: اوراکل بلاک چین چیست ؟

هر چند، طبق گفته برخی از متخصصین، این مسئله یک خطر فوری نیست. می‌توان با استفاده از مدارهای مجتمع با کاربردهای خاص (Application Specific Integrated Circuits) تاثر این نوع حملات را کاهش داد. همچنین اگر چندین ماینر به کامپیوترهای کوانتومی دسترسی پیدا کنند، ریسک چنین حملاتی تا حد قابل توجه‌ای کاهش پیدا می‌کند، اما به هر حال ماینرهای عادی از دور خارج خواهند شد.

نتیجه گیری

توسعه کامپیوترهای کوانتومی و در نتیجه، ایجاد تهدیدی برای سیستم حال حاضر رمزنگاری نامتقارن، دیر یا زود رخ خواهد داد. اما به هر حال غیر قابل انکار است که این مسئله، یک مشکل فوری نیست و زمان زیادی مانده تا یک فرد بتواند به یک کامپیوتر کوانتومی دست پیدا کند. تا آن زمان هم محققین و دانشگاه‌ها بی‌کار نخواهند نشست و دائما به دنبال راه حلی برای این مسئله خواهند بود.

از آن‌جایی که این مسئله رابطه مستقیمی با امنیت جهانی دارد، عاقلانه است که از همین حالا برای حملات احتمالی، آینده‌نگری کرد.