پرونده/ پردازش کوانتومی و امنیت سایبری

به گزارش خبرنگار گرداب، راه‌حل‌هایی را که برخی شرکت‌ها در حال حاضر با استفاده از سخت‌افزار کوانتومی در زمینۀ امنیت سایبری ایجاد کرده‌اند، فرصت‌های کوتاه مدتی را فراهم آورده است.

اول، توسعه الگوریتم‌ها برای رایانه‌های کوانتومی منجر به پیشرفت‌هایی در توانایی ما برای حل مسائل ترکیبی در مقیاس بزرگ در رایانه‌های کلاسیک و موجود شده است.

ما تعداد زیادی از شرکت‌های کوانتومی را دیده‌ایم که از طریق کارشان با فناوری محاسبات کوانتومی نوظهور، الگوریتم‌های «الهام‌گرفته از کوانتوم» را توسعه داده‌اند که آن‌ها را قادر می‌سازد مسائل عملی مهم در رایانه‌های کلاسیک را حل کنند. با کشف الگوریتم‌های جدید، مرز بین پردازش کوانتومی و کلاسیک می تواند تغییر کند. الگوریتم‌های کوانتومی می‌توانند الهام بخش راه‌حل‌های کلاسیک جدید باشند.

به عبارت دیگر، ظهور راه‌حل‌های الهام گرفته از پردازش کوانتومی نشان می‌دهد که محاسبات کوانتومی می‌تواند سرعت پیشرفت فناوری را برای مسائل ترکیبی تغییر دهد، حتی اگر کامپیوتر‌های کوانتومی هرگز به مقیاس و قابلیت اطمینان مورد نیاز برای تسلط بر انواع دیگر محاسبات دست پیدا نکنند. لازم به ذکر است که برای یک فناوری نوظهور غیرعادی نیست که نوآوری را در فناوری‌های موجود، بدون جابجایی متصدی فعلی، پیش ببرد.

برای مثال این مورد در بازار تلویزیون وجود داشت، جایی که نوآوری در صفحه نمایش‌های LCD پس از ظهور تلویزیون‌های صفحه تخت پلاسما شتاب گرفت. با این حال، مشخص نیست که آیا همین اتفاق در رابطه به پردازش کوانتومی رخ خواهد داد یا خیر. به ویژه از آنجایی که بسیاری از مدل‌ها و الگوریتم‌های مختلف هنوز در حال بررسی هستند.

دستگاه های کوانتومی فعلی کوچک و پر سر و صدا هستند، در حالی که هدف نهایی برای این فناوری دستیابی به کامپیوتر‌های کوانتومی بزرگ، بسیار کنترل شده، منسجم و آنالوگ یا دیجیتال است.

بهرحال، ممکن است حتی برای پیچیده ترین مسائل ترکیبی، کامپیوتر‌های کلاسیک الهام گرفته از پردازش کوانتومی در نهایت تسلط داشته باشند یا این که یک یا چند طرح کامپیوتری کوانتومی در نهایت تسلط داشته باشند، یا این که نوعی رویکرد ترکیبی منجر به یک رهبری کامل در بازار رایانه ها شود. اما در حال حاضر، می‌دانیم که الگوریتم‌های کوانتومی الهام‌بخش نوآوری‌های مفیدی در نرم‌افزار رایانه‌های کلاسیک هستند که فرصت‌های تجاری بسیاری ایجاد کرده‌اند.

از این گذشته، به دومین فرصت کوتاه مدت برای پیشرفت پردازش کوانتومی می پردازیم. به راحتی می توان گفت که تهدید ورود رایانه‌های کوانتومی در آینده نزدیک، مزایای سرمایه‌گذاری در برخی فناوری‌های امروزی را به ویژه در رمزنگاری نشان می‌دهد.

در این زمینه می توان گفت که اگر یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً منسجم و یا به اندازه کافی منسجم در دسترس باشد، بسیاری از فایل‌های رمزگذاری شده با استاندارد‌های فعلی، راحت‌تر قابل رمزگشایی خواهند بود. بنابراین، اگر اموری وجود داشته باشد که رمزگذاری کردن آن‌ها با رایانه های فعلی، سال‌های طولانی زمان ببرد، در نتیجه، این تهدید که یک کامپیوتر کوانتومی که ممکن است در یک یا دو دهۀ آینده در دسترس قرار گیرد به این معنی است که امروزه سرمایه‌گذاری روی رمزگذاری ایمن کوانتومی ارزش بالایی دارد.

پردازش کوانتومی و امنیت سایبری
می توان گفت شاید بیش از هر کاربرد تجاری دیگری، استفاده از فناوری کوانتومی در امنیت سایبری توجه دولت و سرمایه گذاری بخش عمومی و خصوصی را به خود جلب کرده است. گواه این ادعا این است که مجمع جهانی اقتصاد تاکید کرده که «محاسبات کوانتومی می تواند امنیت سایبری امروزی را منسوخ کند.

هنگامی که امریکا قانون ابتکار کوانتومی را در سال 2018 برای تأمین مالی محاسبات کوانتومی تصویب کرد، مسائل امنیت سایبری در مرکز بحث قرار داشت. همچنین بدیهی است که محاسبات کوانتومی نیز در زمینه رقابت قدرت‌های بزرگی، چون امریکا و چین، دوباره با تاکید بر امنیت به طور کلی و رمزنگاری به طور خاص، مورد توجه قرار گرفته است.

زیربنای این توجه و سرمایه گذاری این است که فناوری زیربنای رمزنگاری مدرن از مسایل ترکیبی پیچیده استفاده می کند. در سال 1994، پیتر شور نشان داد که انواع خاصی از رمزگذاری برای شکستن شدن به وسیلۀ یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی بزرگ و منسجم، بسیار پیچیده تر می شوند. قابل توجه ترین نکته فنی این است که استاندارد کلید عمومی RSA برای رمزگذاری نامتقارن از پیچیدگی نمایی به چند جمله ای کاهش می یابد.

به عبارت دیگر، یک استاندارد رمزگذاری پرکاربرد به خطر می افتد. بنابراین، در حالی که الگوریتم‌های کوانتومی برای بسیاری از محاسبات ترکیبی کاربرد دارند، کاربرد واضح و مستقیمی برای رمزنگاری وجود دارد. الگوریتم Shor به ویژه فرصت حل مسائل در مقیاس بزرگ (یا ایجاد یک تهدید در مقیاس بزرگ) را با رایانه های کوانتومیِ کاملاً کاربردی و قابل اعتماد برجسته می کند. البته باید هشدار داد که این بدان معنا نیست که راه حل‌های فعلی امنیت سایبری به زودی شکسته می-شوند. زیرا هنوز کامپیوتر‌های کوانتومی منسجم به اندازه کافی قابل اعتماد و در مقیاس بزرگ وجود ندارند و جدول زمانی ورود آن‌ها همچنان ناشناخته است.

با این وجود، امنیت سایبری یک فرصت کوتاه مدت برای کسانی است که محاسبات کوانتومی را درک می کنند. تبادل کلید برای انتقال رمزگذاری شده تهدید اصلی الگوریتم Shor است، به این معنی که در صورت ظاهر شدن کامپیوتر‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ، ارتباطات آسیب پذیر خواهند شد.

برای مثال در برخی زمینه‌ها، رمزگذاری طولانی مدت فایل‌ها بسیار مهم است، مثلا در آمریکا اطلاعات طبقه‌بندی شده باید برای چندین دهه امن بماند. حال آن که امنیت داده‌های ذخیره‌شده به‌ویژه زمانی که داده‌های مبادله کلیدی که برای رمزگذاری یک فایل استفاده می‌شود، در برابر رهگیری آسیب‌پذیر است، تهدید می‌شود. در نتیجه، حتی یک احتمال کوچک از یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ، یک فرصت تجاری در رمزگذاری ایمن کوانتومی ایجاد می کند.

درست مانند ترس از یک اشکال احتمالی Y2K که منجر به سرمایه گذاری هنگفت در ارتقای سیستم کامپیوتری شد، ترس از یک کامپیوتر کوانتومی احتمالی با استفاده از الگوریتم Shor به این معنی است که توسعه سیستم‌های رمزگذاری ایمن کوانتومی در بخش‌های خاص محتاطانه خواهد بود. توجه داشته باشید، اینجاست که درک محدودیت‌های رایانه‌های کوانتومی نیز حیاتی است. پتانسیل محاسبات کوانتومی باید به تغییر در شیوه های رمزنگاری منجر شود نه پایانی برای رمزگذاری. برای این منظور، موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در حال انتخاب الگوریتم‌های رمزنگاری کلید عمومی است که «قادر به محافظت از اطلاعات حساس در آینده قابل پیش‌بینی، از جمله پس از ظهور رایانه‌های کوانتومی» هستند.

با این حال، امروزه فرصت‌های تجاری برای آماده شدن برای آینده رمزگشایی کوانتومی وجود دارد. یک صنعت کوچک، اما در حال رشد وجود دارد که بر کمک به شرکت‌ها برای آماده شدن برای پایان بالقوه مفید بودن تکنیک‌های رمزگذاری فعلی متمرکز است. این شرکت‌ها هم بر سخت‌افزار، مانند توزیع کلید کوانتومی و هم بر راه‌حل‌های نرم‌افزاری تمرکز می‌کنند.

به عنوان مثال، KETS Quantum Security، شرکتی که راه‌حل‌های ایمن کوانتومی را توسعه می‌دهد، در حال توسعه سخت‌افزار رمزگذاری کوانتومی با اندازه تصویر کوچک و روی تراشه است. علاوه بر این، evolutionQ به سازمان‌ها کمک می‌کند تا برای عصر کوانتومی آماده شوند. evolutionQ که به وسیلۀ اساتید دانشگاه واترلو و کارشناسان محاسبات کوانتومی/رمزنگاری، Michele Mosca و Norbert Lütkenhaus تأسیس شده است، ارزیابی ریسک کوانتومی، مدیریت ریسک و راه حل‌های امنیت سایبری را ارائه می-دهد.

این شرکت در بازاریابی محصولات خود، بر عدم قطعیت در زمان ورود کامپیوتر‌های کوانتومی تاکید می کند. نکته مهم این است که ابزار‌های آن‌ها برای کار کردن به کامپیوتر‌های کوانتومی نیاز ندارند. آن‌ها بر آماده سازی سیستم‌ها برای پتانسیل رایانه های کوانتومی برای هک کردن تکنیک‌های رمزگذاری موجود متمرکز هستند.

جمع بندی:
در این متن سعی نمودیم ضمن بررسی فرصت‌های پیش آمده از پیشرفت پردازش کوانتومی، به یکی از کاربرد‌های تجاری آن بپردازیم. این کاربرد تجاری مربوط است به حوزۀ امنیت سایبری. با توجه به امکانات و قدرت رایانه های کوانتومی در پردازش مسایل ترکیبی پیچیده مانند رمزنگاری بیان کردیم که ظهور رایانه های کوانتومی منسجم و بزرگ یکی از مهمترین تهدید‌ها و خطرات برای امنیت سایبری و شیوه های رمزنگاری کنونی است. بنابراین، رفع این تهدید‌ها و تبدیل آن به یک فرصت، بدل به زمینۀ بسیار جذابی برای سرمایه گذاری‌های کلان چه از سوی دولت‌ها و چه از سوی بخش خصوصی شده است.

___________________

منبع

J. Miguel Arrazola, A. Delgado, B. Roy Bardhan and S. Lloyd, “Quantum-inspired algorithms in practice,” arXiv:1905.10415, 2019.

J. Preskill, “Quantum Computing in the NISQ era and beyond,” Quantum 2, 79, 2018.

S. Mugel, C. Kuchkovsky, E. Sanchez, S. Fernandez-Lorenzo, J. Luis-Hita, E. Lizaso and R. Orus, “Dynamic Portfolio Optimization with Real Datasets Using Quantum Processors and Quantum-Inspired Tensor Networks,” arXiv:2007.00017, 2020.

N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, “Quantum cryptography,” Rev. Mod. Phys. 74, 145, 2002.

P.H. Adams, “Why Quantum Computing Could Make Today’s Cybersecurity Obsolete,” July 26, 2019,

E.B. Kania and J. Costello, “Quantum Hegemony? China’s Ambitions and the Challenge to U.S. Innovation Leadership,” September 12, 2018,
cnas.org/publications/reports/quantum-hegemony; E.B. Kania, “China’s Quantum Future: Xi’s Quest to Build a High-Tech Superpower,” September 26, 2018,

foreignaffairs.com/articles/china/2018-09-26/chinas-quantum-future

E.g. C. Paar and J. Pelzi, “Understanding Cryptography: A Textbook for Students and Practitioners” (New York: Springer, 2009).

P.W. Shor, “Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer” SIAM Journal of Computing 26, 1484 (1997).

T. Simonite, “Quantum Computing Paranoia Creates a New Industry,” MIT Technology Review, January 2017,://technologyreview.com/s/603424/quantum-computing-paranoia-creates-a-new-industry/

kets-quantum.com

evolutionq.com

weforum.org/agenda/2019/07/why-quantum-computing-could-make-todays-cybersecurity-obsolete