آیا می توانیم اثرات تهدید کوانتومی را کاهش دهیم؟

18 آگوست 2023-© shutterstock/JLStock

در آینده ای نزدیک، محاسبات کوانتومی قرار است شیوه کار و زندگی ما را متحول کند.

تاکنون، دولت‌ها در سراسر جهان میلیون‌ها دلار را در محاسبات کوانتومی سرمایه‌گذاری کرده‌اند، زیرا توانایی آن در عملکرد بهتر از رایانه‌های معمولی و حل چالش‌هایی که تاکنون غیرممکن بوده‌اند، شده‌اند.

با این حال، یک تهدید کوانتومی وجود دارد. این تهدید به خطر احتمالی ناشی از ظهور رایانه های کوانتومی برای سیستم های رمزنگاری فعلی اشاره دارد. علیرغم توانایی آنها در حل مشکلات پیچیده، این به طور بالقوه می تواند به آنها اجازه دهد تا الگوریتم های رمزگذاری رایج را که امنیت اطلاعات، داده های رمزگذاری شده و موارد دیگر را تهدید می کنند، بشکنند.

پس چگونه دولت ها می توانند به تهدید کوانتومی پاسخ دهند؟ شبکه خبری نوآوری با اندرسن چنگ، بنیانگذار پست کوانتوم، صحبت کرد که در مورد چالش ها و تحولات در بخش کوانتومی و نحوه واکنش دولت ها به تهدید کوانتومی در حال ظهور صحبت می کند.

کامپیوترهای کوانتومی چه تفاوتی با کامپیوترهای معمولی دارند؟

کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک متفاوت ساخته می شوند و بر اساس قوانین متفاوتی کار می کنند. کامپیوترهای کلاسیک بر اساس باینری ها، 1 ها و 0 ها کار می کنند، که شبیه یک کلید روشن یا خاموش است.

از سوی دیگر رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی (Q-bits) استفاده می‌کنند و اینها می‌توانند هم صفر و هم یک یا روشن و خاموش باشند. از آنجایی که کیوبیت ها می توانند چندین حالت باشند، کامپیوترهای کوانتومی می توانند یک فرآیند یا یک محاسبه را بهینه کنند. به عنوان مثال، اگر یک کامپیوتر کلاسیک سعی کند راهی از میان پیچ و خم پیدا کند، هر مسیر را به ترتیب بررسی می کند تا زمانی که آن را حل کند. یک کامپیوتر کوانتومی می تواند هر مسیر را به طور همزمان تجزیه کند و تقریباً بلافاصله مسیر صحیح را پیدا کند.

در نتیجه، محاسبات کوانتومی از نظر بسیاری به عنوان یک انقلاب تکنولوژیکی نسلی است که قدرت ما را برای پردازش داده‌ها و حل مشکلاتی که با ماشین‌های کلاسیک غیرقابل تصور هستند، تغییر می‌دهد. از توانایی واکنش سریعتر به نوسانات بازار در خدمات مالی، تا کارآمدتر بودن در کشف داروهای دارویی یا مواد جدید، به کارگیری فناوری کوانتومی نوظهور برای چالش‌ها در صنایع و بخش‌های مختلف به نظر بسیاری بسیار سودمند است.

با این حال، بسیاری از مردم این واقعیت را نادیده می‌گیرند که رایانه‌های کوانتومی در بسیاری از زمینه‌ها در واقع از رایانه‌های کلاسیک پایین‌تر هستند – ماشین‌های کلاسیک برای اکثر کارهایی که امروزه انجام می‌دهیم استفاده خواهند شد.

همانطور که گفته شد، رایانه‌های کوانتومی در برخی زمینه‌ها، از جمله در هنگام انجام تجزیه و تحلیل بر روی مقادیر کم داده، بسیار برتر هستند – دقیقاً کیفیت مورد نیاز برای شکستن رمزگذاری و «ذوب کردن» زیرساخت‌های امنیتی موجود ما.

آیا می توانید برخی از پیشرفت های اخیر در محاسبات کوانتومی را بیان کنید؟

محاسبات کوانتومی یک فناوری فوق‌العاده با بودجه و تحقیق است، به این معنی که همیشه پیشرفت‌ها و نقاط عطفی گزارش می‌شوند. اولین مورد مهمی که سرفصل خبرها را به خود اختصاص داد، در سال 2019 بود که گوگل ادعای «برتری کوانتومی» کرد، زمانی که مدل Sycamore آن ظاهراً می‌توانست از یک ابر رایانه بهتر عمل کند. این ادعا از آن زمان در سراسر جامعه مورد بحث قرار گرفت، اما همچنان نقطه عطف مهمی بود که این فناوری را وارد چرخه اخبار اصلی کرد.

از آن زمان، ما به طور مداوم شاهد اعلام نقاط عطف جدید هستیم. فقط در سال جاری، دانشمندان Quantinuum را دیدیم که می‌گویند اکنون یک گام به تحمل خطای محاسبات کوانتومی نزدیک‌تر شده‌اند. علاوه بر این، آی‌بی‌ام مقاله‌ای را در نیچر منتشر کرد که پیشرفتی را در محاسبات کوانتومی توصیف می‌کند که در آن آنها مشکل پیچیده‌ای را حل کردند که روش‌های تقریب ابر محاسباتی پیشرو قادر به حل آن نبودند.

در این مرحله، جامعه‌ای که به دنبال توسعه یک ماشین کارآمد است، روی راه‌هایی برای تثبیت اجزای ضروری رایانه‌های کوانتومی که به‌طور باورنکردنی شکننده هستند، تمرکز می‌کنند. زیرا کیوبیت ها ذرات زیراتمی هستند که تحت تأثیر گرما، ارتعاش، میدان های مغناطیسی و پرتوهای کیهانی قرار می گیرند، به این معنی که رایانه های کوانتومی باید در یک محیط بسیار کنترل شده نگهداری شوند تا هرگونه خطا به حداقل برسد و اصلاح شود. این خطاها در حال حاضر توانایی مشاهده و آزمایش این رایانه ها را محدود می کند، بنابراین محققان به طور مداوم در حال توسعه راه هایی برای تثبیت محیط هستند.

چگونه این تحولات یک تهدید کوانتومی ایجاد می کند؟

در حالی که تلاش ها برای ساخت یک ماشین کارآمد سرعت می گیرد، تهدید کوانتومی روز به روز نزدیک تر می شود. همانطور که گفته شد، در حالی که رایانه‌های کلاسیک همچنان در برخی زمینه‌ها کاربردی‌تر و مفیدتر خواهند بود، یکی از جنبه‌هایی که ماشین‌های کوانتومی بسیار برتر هستند، انجام تجزیه و تحلیل‌های عظیم بر روی مقادیر کم داده است – دقیقاً کیفیت مورد نیاز برای شکستن رمزگذاری و ذوب کردن موجود ما. زیرساخت های امنیتی.

به عبارت دیگر، رایانه‌های کوانتومی قادر خواهند بود الگوریتم‌های کلید عمومی موجود را که برای محافظت از سیستم دیجیتالی کار می‌کنند، بشکنند.

از اواخر دهه 1970. همه چیز، از بانکداری آنلاین گرفته تا زیرساخت‌های ملی حیاتی، تا هر چیز دیگری که از رمزنگاری کلید عمومی (PKC) استفاده می‌کند، بلافاصله در معرض خطر قرار می‌گیرد و در معرض هر کسی که یک ماشین کوانتومی کارآمد دارد، قرار می‌گیرد.

با این حال، حتی قبل از فرا رسیدن این روز – که می تواند پنج، ده یا 20 سال دیگر باشد – تهدید کوانتومی امروز به شکل “در حال حاضر، رمزگشایی” با ما وجود دارد. به زبان ساده، این به مجموعه ای از داده های رمزگذاری شده با هدف شکستن آن هنگام ظهور یک ماشین کوانتومی فعال اشاره دارد.

من یکی از اولین کسانی در جهان بودم که به این موضوع اشاره کردم که ممکن است در حال حاضر اتفاق بیفتد، مانند مواردی که می بینیم ترافیک اینترنت در مسیرهای جهانی غیرمعمول بدون هیچ دلیل مشخصی قبل از بازگشت به حالت عادی تغییر مسیر داده است. سازمان‌های امنیتی برتر مانند GCHQ، MI6، NSA و BSI از آن زمان به صورت عمومی منتشر شده‌اند و چنین تهدیدی را برجسته کرده‌اند.

چه پروژه هایی برای رفع این مشکل در حال انجام است؟

شناخت این تهدید تنها سه یا چهار سال پیش وارد جریان اصلی شد، و با توجه به تهدید کوانتومی HNDL که در حال حاضر در آستانه ما قرار دارد، این یک واقعیت اجتناب‌ناپذیر است که جهان در حال حاضر در حال بازی کردن است.

با این حال، تعدادی گام مثبت در سال های اخیر وجود داشته است، که با پایه گذاری توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) شروع شد، که در سال 2016 اعلام کرد که در حال توسعه و انتخاب الگوریتم های جدیدی است که می تواند در برابر تهدید کوانتومی مقاومت کند. این الگوریتم‌هایی که استاندارد نهایی NIST را تشکیل می‌دهند، به طور موثر از تمام داده‌های آینده که در اینترنت جریان دارند محافظت می‌کنند، و در سال 2022 چهار الگوریتم انتخاب شد، روند مهاجرت را برای بسیاری آغاز کرد و دولت‌ها را به عمل واداشت.سازمان‌های دیگر نیز نقش حیاتی در زمینه‌سازی تلاش‌های مهاجرت پس از کوانتومی ایفا کرده‌اند. کارگروه مهندسی اینترنت (IETF) که مسئولیت تنظیم استانداردهای امنیتی در سراسر اینترنت را بر عهده دارد، نمونه خوب دیگری است.

با هدایت تیم ما در Post-Quantum، IETF یک استاندارد VPN جدید ایجاد کرده است که به مشخص کردن اینکه چگونه VPN ها می توانند به طور ایمن ارتباطات را در عصر کوانتومی تبادل کنند، کمک می کند. رویکرد جدید با ایجاد امکان ترکیب چندین الگوریتم رمزگذاری پس کوانتومی و کلاسیک در VPN ها، قابلیت همکاری را اولویت بندی می کند. ترکیب رمزگذاری قدیمی و جدید برای اطمینان از عدم ایجاد اختلال در عملکرد سیستم‌های فناوری اطلاعات موجود و محافظت از داده‌ها در برابر حمله توسط رایانه‌های کلاسیک و کوانتومی ضروری است.

دولت چگونه باید به تهدید کوانتومی پاسخ دهد؟

در حالی که واضح است که سازمان‌هایی مانند IETF و NIST برای اولین بار بسیج شده‌اند، دیدن دولت‌ها نیز در سال‌های اخیر با این تهدید، دلگرم‌کننده است.

علیرغم شروع آهسته، ایالات متحده در حال حاضر به دنبال مجموعه ای از دستورات و قوانین دولت بایدن رهبری را به دست گرفته است. این شامل قانون آمادگی امنیت سایبری محاسبات کوانتومی می شود که در سال 2022 تصویب شد و جزئیات مهاجرت به ایمن سازی اطلاعات دولتی با رمزنگاری پسا کوانتومی را شامل می شود. اخیراً، در سال 2023، استراتژی امنیت سایبری ملی ایالات متحده یک نقشه راه برای جایگزینی تمام سخت افزارها، نرم افزارها و برنامه های کاربردی آسیب پذیری که ممکن است در معرض خطر قرار گیرند، ترسیم کرده است.

سایر نقاط جهان در مقایسه با آمادگی خود اندکی عقب مانده اند و اروپا یکی از آنهاست. اگرچه اروپا در زمینه محاسبات کوانتومی و تهدید کوانتومی تاریخچه ای قوی در نوآوری دارد، اما در سطح سیاست گذاری برای یافتن شتاب و تعیین یک رویکرد واحد تلاش کرده است.

امروزه، بدون یک رویکرد توافق شده یا الگوریتم‌ها/پروتکل‌های استاندارد تعیین‌شده توسط اتحادیه اروپا (EU)، کشورهای عضو مجبور شده‌اند مسیر خود را بسازند و در نتیجه عدم تقارن در سرمایه‌گذاری و توسعه زیرساخت‌های ضد کوانتومی ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، از سال 2010، آلمان و فرانسه بیش از 5 میلیارد دلار در محاسبات کوانتومی سرمایه گذاری کرده اند، در حالی که بقیه اروپا مجموعاً 1.2 میلیارد دلار سرمایه گذاری کرده اند. این تلاش ها در مقایسه با چین کم است. در حالی که هیچ‌کس نمی‌تواند تأیید کند که چین چقدر برای نوآوری‌های کوانتومی هزینه می‌کند، بر اساس تعدادی از منابع، اعتقاد بر این است که این مبلغ بیش از 15 میلیارد دلار است.

این اجتناب ناپذیر است که ما اکنون در جهانی چندجانبه زندگی می کنیم که در آن هیچ دولت-ملی نمی تواند دیگران را مجبور به پیروی از آن کند. برای داشتن یک مهاجرت کوانتومی بادوام و قوی، قابلیت همکاری و سازگاری مهمترین ملاحظات برای مقابله با این خطر وجودی است.