تحقیقات جدید نشان می‌دهد رایانه‌های کوانتومی می‌توانند رمزگذاری حساب‌های بانکی را تنها در ۳ روز شکست دهند

استاندارد رمزگذاری RSA-2048 ساختار ساده ای برای تولید دارد، اما شکستن آن بسیار دشوار به نظر می رسد. این روش با ضرب دو عدد اول بسیار بزرگ عددی تولید می کند که می تواند تا 617 رقم اعشاری داشته باشد. این شماره مانند یک قفل دیجیتال عمل می کند که توسط دیگران قابل مشاهده است، اما برای باز کردن قفل به کلید خصوصی نیاز دارد. این کلید از تقسیم عدد بدست آمده به دو عدد اول بدست می آید.

با این حال، تحقیقات جدید نشان می دهد که امنیت اطلاعات و حریم خصوصی کاربران ممکن است شکننده تر از آنچه قبلا تصور می شد باشد. زیرا پیشرفت محاسبات کوانتومی می تواند تهدیدی جدی برای این روش رمزگذاری در آینده نزدیک باشد.

در مطالعه اخیر، گروهی از محققان شرکت محاسبات کوانتومی آلیس و باب در پاریس، برآورد جامعی از منابع مورد نیاز برای پیاده سازی الگوریتم شور ارائه کرده اند. در این مطالعه از کیوبیت های ابررسانا به نام کیوبیت گربه استفاده کردند.

به عبارت ساده الگوریتم شور روشی در محاسبات کوانتومی است که پیتر شور ریاضیدان در سال 1994 طراحی کرد.هدف از این الگوریتم افزایش تصاعدی سرعت تجزیه اعداد بزرگ به عوامل اول و در نتیجه شکستن رمزگذاری ها بر اساس این مسئله ریاضی است.

کیوبیت های گربه چگونه امنیت رمزنگاری را تهدید می کنند؟

کیوبیت های گربه جایگزین متفاوت و جالبی برای کیوبیت های ترانسمون هستند. نوعی کیوبیت که امروزه در بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی استفاده می شود.

نام کیوبیت گربه از آزمایش فکری گربه شرودینگر گرفته شده است. این ساختار شامل فوتون هایی است که در داخل محفظه فلزی بسیار کوچکی به نام نوسانگر به دام افتاده اند.

ماهیت موج مانند این کیوبیت ها به آنها اجازه می دهد تا به صورت تصاعدی یکی از دو نوع اصلی خطای کوانتومی، خطای وارونگی بیت را کاهش دهند. در حالی که نوع دیگر خطا که به عنوان وارونگی فاز شناخته می شود، فقط به صورت خطی افزایش می یابد.

برای درک بهتر خطای وارونگی بیت می توانید کلید برقی را تصور کنید که به دلیل تداخل الکتریکی محیط بدون دخالت انسان از حالت روشن با مقدار 1 به حالت خاموش با مقدار 0 تغییر می کند. در چنین شرایطی اطلاعات ذخیره شده در سیستم کوانتومی دچار اختلال می شود.

خطای وارونگی فاز وضعیت متفاوتی دارد. در این حالت، می توان فرض کرد که کل مجموعه کلید برق معکوس شده است، اما خود سوئیچ در همان وضعیت روشن یا خاموش باقی می ماند.

بر اساس توضیحات محققین، برآورد منابع مورد نیاز برای پیاده سازی الگوریتم Shore در سال های اخیر به طور مستمر کاهش یافته است. کریگ گیدنی از Google Quantum AI و همکارانش در وبلاگ خود ذکر کرده اند که تعداد تخمینی کیوبیت های مورد نیاز از 20 میلیون واحد در سال 2019 به کمتر از یک میلیون واحد در سال 2025 کاهش یافته است.

تخمین آلیس و باب نیز نسبت به سال 2023 کاهش چشمگیری داشته است.این شرکت در آن زمان به حدود 350000 کیوبیت نیاز داشت اما در محاسبات جدید خود این رقم را به کمتر از 23000 کیوبیت کاهش داده است.

این تقریباً 40 برابر کمتر از تخمین قبلی کریگ گیدنی از یک میلیون کیوبیت است. البته محاسبات جدید آلیس و باب بر اساس مشخصات خود از جمله نرخ خطا و قابلیت تصحیح خطا است.

بر اساس این برآورد، برای شکستن کلید رمزگذاری RSA-2048 و شکستن قفل دیجیتال محافظ اطلاعات شخصی و حساب‌های بانکی، سیستمی متشکل از 22593 کیوبیت گربه تنها به 3.14 روز نیاز دارد.

محققان در پست وبلاگ خود گفتند:

تا آنجا که ما می دانیم، هیچ معماری منتشر شده ای وجود ندارد که بتواند در مدت زمان کوتاهی با کیوبیت های کمتر به این مهم دست یابد. این دستاورد ما را از نظر ابعاد و سرعت در مرز پیشرفت همزمان قرار می دهد.

کامپیوترهای کوانتومی چه زمانی می توانند رمزگذاری اینترنت را بشکنند؟

این رویکرد متعادل یک نقطه شیرین بین نیازهای سخت افزاری و زمان اجرای محاسبات ایجاد می کند.

تعداد کیوبیت ها ابعاد دستگاه محاسبات کوانتومی و تجهیزات مورد نیاز آن را تعیین می کند. یکی از مهم ترین این تجهیزات سیستم های خنک کننده بسیار قدرتمندی هستند که باید تراشه های کوانتومی را تا دمای نزدیک به صفر مطلق خنک نگه دارند. دما حتی سردتر از فضای بیرونی خواهد بود.

عامل مهم دیگر مدت زمان محاسبات است. یعنی زمانی که دستگاه برای تولید یک نتیجه خبرجو به آن نیاز دارد.

محققان در توضیح این موضوع نوشتند:

می توان بین تعداد کیوبیت ها و زمان اجرا تعادل برقرار کرد، اما اگر در هر دو جهت زیاده روی کنیم، در نهایت با دستگاهی مواجه می شویم که ساخت آن خیلی سخت یا بزرگ است، یا بسیار کند است که کاربردی نیست.

محققان همچنین چگونگی سرعت بخشیدن به فرآیند شکستن رمزگذاری را با اتصال چندین کامپیوتر کوانتومی بررسی کردند. طبق محاسبات آنها، اتصال 10 دستگاه محاسباتی کوانتومی با مجموع 610530 کیوبیت گربه می تواند رمزگذاری RSA-2048 را تنها در یک ساعت و 15 دقیقه شکسته باشد.

این گروه همچنین منابع مورد نیاز برای دور زدن سیستم رمزگذاری مبتنی بر منحنی بیضوی را بررسی کردند. همان فناوری که برای محافظت از مالکیت بیت کوین استفاده می شود. طبق برآوردها، سیستمی با 29588 کیوبیت گربه می تواند این نوع رمزگذاری را در 61.8 دقیقه شکست دهد.

اما تراکنش های بیت کوین در بازه های زمانی 10 دقیقه ای و در قالب بلوک های جدید ثبت می شوند. محققان تاکید کردند که برای سرقت این ارز دیجیتال در حین انتقال، مهاجم باید بتواند قبل از پایان این مهلت رمزگذاری را بشکند.

بنابراین، هکرهایی که قصد دارند داستان معروف روز پیتزا بیت کوین را تکرار کنند، فعلا نمی توانند روی چنین روشی حساب کنند.

موانع ساخت کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند

نکته مهم در اینجا این است که در حال حاضر هیچ کامپیوتر کوانتومی مجهز به 23000 کیوبیت در دسترس دانشمندان نیست و فناوری موجود هنوز با چنین دستاوردی فاصله دارد.

بزرگترین آرایه کیوبیتی که تاکنون گزارش شده است توسط مهندسان موسسه فناوری کال ساخته شده است که از 6100 کیوبیت به دام افتاده در لیزر تشکیل شده است. البته این مجموعه تنها یک آرایه کیوبیت است و هنوز نمی توان آن را یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی برای انجام محاسبات پیچیده در نظر گرفت.

محققان برای دستیابی به کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر باید بر چندین چالش اساسی غلبه کنند. کنترل دقیق دما، افزایش مقیاس پذیری و حفظ پایداری سیستم از مهمترین موانع هستند. اتصال چند تراشه به یکدیگر و برقراری ارتباط بین کیوبیت هایی که از هم دورتر هستند نیز مشکلات فنی قابل توجهی ایجاد می کند.

با وجود این مشکلات، برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که استاندارد RSA-2048 ممکن است در ابتدای دهه آینده حذف شود. از سوی دیگر، محاسبات محققان بر این فرض استوار است که کیوبیت‌های گربه می‌توانند تا 100 سال در برابر خطای معکوس کمی مقاومت کنند. در حالی که پایداری بسیاری از کیوبیت های آزمایش شده در حال حاضر تنها چند میلی ثانیه است.

با این حال، کیوبیت‌های گربه با افزودن فوتون‌های بیشتر به نوسانگر، پایداری بیشتری به دست می‌آورند. به عبارت ساده تر، افزایش تعداد فوتون ها در محفظه می تواند به طور چشمگیری مقاومت خطای این کیوبیت ها را بهبود بخشد.

فیزیکدانان کوانتومی در Alice & Bob اخیراً به پیشرفت مهمی در این زمینه دست یافته اند. با قرار دادن 11 فوتون در محفظه کیوبیت گربه، میانگین زمان مقاومت در برابر خطای معکوس بیت را به 44 دقیقه افزایش دادند. این توسعه پایداری استاندارد را میلیون ها بار افزایش داده است.

با توجه به نتایج تحقیق، اگر زمان مقاومت در برابر خطای وارونگی بیت به حدود یک ساعت کاهش یابد، تعداد کیوبیت های مورد نیاز باید دو برابر شده و به حدود 45 هزار واحد برسد.

محققان در بیانیه مطبوعاتی خود اشاره کرده اند که احتمالاً در اوایل دهه 2030، پیشرفت سخت افزار کوانتومی با کاهش منابع مورد نیاز برای انجام محاسبات پیچیده همزمان خواهد شد.

در نتیجه، اولین کامپیوترهای کوانتومی که قادر به شکستن رمزگذاری های قدرتمند هستند ممکن است در چند سال آینده ساخته شوند. با این حال، زمان دقیق تبدیل این فناوری به یک تهدید واقعی برای امنیت دیجیتال هنوز مشخص نیست.

متن کامل این تحقیق به صورت پیش چاپ در آرشیو Cryptology ePrint موجود است.