گذری به دنیای امنیت کوانتومی - وبلاگ طراحی من

به گزارش وبلاگ طراحی من، بگذارید با یک داستان کوتاه آغاز کنیم، یکی از مدیران فناوری اطلاعات در fortune 500 تماسی از یکی از خبرنگاران وال استریت ژورنال دریافت کرد. خبرنگار پرسیده بود که این شرکت چه نظری درباره اعلام خبر ساخت کامپیوتر کوانتومی جدیدی که می تواند RSA و رمزنگار منحنی بیضوی (ECC) را بشکند دارد؟ این مدیر در این زمینه برنامه ای نداشت، بنابراین مؤدبانه پاسخ داد که نظری ندارد و سپس یک جلسه اضطراری با تیم اجرایی خود گذاشت تا برای محافظت از داده های شرکت روی فضای ابری چاره ای پیدا نمایند و بفهمند چه کارهایی را می توانند و چه کارهایی را باید انجام دهند.

داستان خیالی بالا را در نظر بگیرید؛ این مسئله ای است که در آینده نه چندان دور بسیاری از تیم ها با آن روبه رو خواهند شد. گزارش های زیادی وجود دارند که نشان می دهد چین و آمریکا صدها میلیون دلار روی تحقیقات کامپیوترهای کوانتومی سرمایه گذاری نموده اند. دانشگاه ها و مراکز تحقیقات تجاری در سراسر جهان پیشرفت های اولیه را گزارش نموده اند. بر اساس طرح هایی که به تازگی اجرایی شده اند، یک کامپیوتر کوانتومی چندکاره که قابلیت شکستن الگوریتم های رمزگذاری فراگیر RSA و ECC را دارند تا سال 2030 در دسترس خواهد بود.

تکنیک های رمزنگاری رایج

انتقال امن اطلاعات به وسیله وب، چه یک شماره کارت اعتباری باشد چه یک نسخه پشتیبان کامل از اطلاعات یک کمپانی بزرگ، یک فرایند سه مرحله ای است. در آغاز طرف فرستنده و گیرنده به وسیله یکی از چندین الگوریتم قابل قبول مانند RSA یک کلید رمزنگاری را مبادله می نمایند. در مرحله بعد، ارسال نماینده، اطلاعات را با کلید مبادله شده و با استفاده از یک الگوریتم متقارن مانند AES رمزگذاری نموده و برای گیرنده می فرستد. در نهایت طرف دریافت نماینده به یاری کلیدی که در اختیار دارد اطلاعات را رمزگشایی نموده و از داده ها استفاده می نماید. این سیستم بیش از سی سال است درست کار می نماید. پس چرا به سیستم نوی احتیاج داریم؟

خطرات و اثرات

وقتی الگوریتم RSA اولین بار در یک مقاله در ساینتیفیک امریکن در سال 1977 معرفی گردید تخمین زده می شد که رمزگشایی پیامی که به صورت نامتقارن با RSA-129 (یکی از انواع RSA که در آن از یک کلید 426 بیتی استفاده می گردد) رمزگذاری شده است 40 میلیون میلیارد سال طول خواهد کشید. اما در حقیقت این کد کمتر از بیست سال بعد در سال 1994 شکسته شد. البته چیزی که امروز می دانیم این است که کلیدهای 1024 بیتی با کامپیوترهای معمولی قابل شکستن نیستند و هنوز تا شکستن کلیدهای بزرگ 2048 بیتی فاصله زیادی وجود دارد. اما کامپیوترهای کوانتومی به طرز عجیبی همه چیز را تغییر داده اند، آن ها می تواند کلیدهای RSA با هر میزان ای را بشنمایند و خارق العاده ترین کلیدها را رمزگشایی نمایند. یکی از نمونه های اولیه این کامپیوترها که به تازگی رونمایی شده می تواند کلیدهای نامتقارن 5 بیتی را بشکند. البته واضح است که برای رسیدن به شکستن کلیدهای 2048 بیتی کارهای زیادی به جای مانده است و به همین علت است که رمزگذاری اطلاعات با RSA برای کارهای فوری، امن و قابل اطمینان است. به هر حال، زاویه دید مهم دیگری هم وجود دارد؛ داده هایی که با RSA رمزگذاری شده و پیگیری و ذخیره شده اند ممکن است در آینده با کامپیوترهای کوانتومی رمزگشایی شوند. این مسئله به الگوریتم های RSA و ECC هم محدود نمی گردد و همه الگوریتم های رمزنگاری که این روزها استفاده می شوند، به همین روش قابل شکستن هستند.

دفاع پیشگیرانه

دو فناوری در حال توسعه برای مقابله با تهدید های ناشی از کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد که به یاری آن ها می توانیم کدهای امنی داشته باشیم؛

• الگوریتم های پست کوانتومی (PQAs)
• توزیع کلیدهای کوانتومی (QKD)

در ادامه به شکل مختصر این فناوری ها را شرح می دهیم.

الگوریتم های پست کوانتومی (PQAs)

این فناوری شامل تعدادی الگوریتم نو است که با در نظر گرفتن قابلیت های شناخته شده کامپیوترهای کوانتومی طراحی شده اند. مقاومت این الگوریتم ها در برابر حملات کوانتومی شناخته شده ثابت شده است. از آنجایی که این الگوریتم ها به شکل نرم افزاری اجرا می شوند می گردد آن ها را به سرعت جایگزین الگوریتم های فعلی کرد. به طور کلی PQA سریع تر از RSA است اما کلید های آن به طرز قابل توجهی بزرگ تر هستند.

توزیع کلیدهای کوانتومی (QKD)

QKD مبتنی بر دانش فیزیک طراحی شده است. این فناوری به کلیدها اجازه می دهد با توجه به خصوصیات کوانتومی فوتون ها بین دو مکان مختلف تعویض شوند. اگر کسی اقدام به رهگیری فرایند مبادله کلید کند، تغییراتی که در خواص کوانتومی میزان گیری شده رخ می دهند، این موضوع را آشکار می نماید و کلید کنار گذاشته می گردد. برخلاف روش های مبتنی بر نرم افزار، با استفاده از این روش دیگر قدرت محاسباتی دشمن مدنظر نیست و کلید در هر صورت ایمن خواهد بود. البته سخت افزاری بودن این فناوری باعث شده است این سیستم به زیر ساخت های خاصی احتیاج دارد و محدودیت هایی هم در فواصل زمانی بین تعویض کلید ها وجود دارد.

جمع بندی

روش هایی که برای حفظ امنیت کوانتومی در بالا گفته شد یک آغاز است و تا زمانی که به کار گرفته نشوند، تهدید ها علیه داده های رمزگذاری شده وجود خواهند داشت. ایجاد الگوریتم رمزگذاری نو اتفاقی نیست که یک شبه قابل رخ دادن باشد. کارگروه های امنیت کوانتومی تشکیل شده اند تا به ترویج فناوری هایی که می توانند از کدها در مقابل فناوری های کوانتومی محافظت نمایند بپردازند اما باید دید در آینده چه رخ خواهد داد و آیا خواهیم توانست از اطلاعات محافظت کنیم؟