رایانش کوانتومی چیست؟ بررسی خطر کامپیوترهای کوانتومی برای آینده ارزهای دیجیتال

پیشرفت تکنولوژی بدون ترمز در حال خلق شگفتی است؛ از کامپیوترهای بزرگ که از چندین فلاپی باید برای ذخیره حجم کمی اطلاعات استفاده می‌شد، حالا به مفهوم عمیق و پیچیده در عین حال ترسناک کامپیوتر کوانتومی رسیده‌ایم؛ ابر رایانه‌هایی که قدرت شکستن هر قفلی را دارند، حتی رسیدن به یک کلید خصوصی از طریق کلید عمومی! تصور کنید شخصی با داشتن تنها شماره کارت بانکی شما، امضای شما را پیدا و جعل کند؛ ترسناک نیست؟

کامپیوتر کوانتومی روشی سریع و به‌شدت قدرتمند است که می‌تواند تمام کارهای کامپیوترهای فعلی را با سرعتی چندبرابری و دقتی بسیار بالا انجام دهد. یکی از نگرانی‌ها در رابطه با بازار ارزهای دیجیتال است؛ فضایی که متکی به رمزنگاری است. شکستن قفل این رمزنگاری‌ها برای کامپیوترهای کوانتومی مثل آب خوردن است؛ اما بلاکچین‌ها نیز دست به‌کار شده‌اند و برای این عصر خطرناک، آماده می‌شوند. در این مقاله از راستین به بررسی مفهوم کامپیوتر کوانتومی، رایانش کوانتومی و خطرات آن‌ها برای ارزهای دیجیتال و راهکارهای احتمالی برای مقابله سخن گفته‌ایم.

خلاصه مهم‌ترین نکات

• رایانش کوانتومی یکی از فناوری‌های نوظهور است که می‌تواند در آینده امنیت بلاکچین و رمزارزها را تحت تاثیر قرار دهد.
• مهم‌ترین نگرانی این است که رایانه‌های کوانتومی بتوانند رمزنگاری فعلی، به‌خصوص کلیدهای خصوصی و امضاهای دیجیتال را سریع‌تر از کامپیوترهای معمولی بشکنند.
• با این حال، این تهدید فعلا فوری نیست؛ چون رایانه‌های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارند و خطاهای زیادی دارند.
• صنعت رمزارز هم دست روی دست نگذاشته و از حالا به‌دنبال الگوریتم‌های مقاوم در برابر کوانتوم و راهکارهای امنیتی جدید است.

رایانش کوانتومی چیست و چرا اهمیت دارد؟

رایانش کوانتومی نوعی فناوری محاسباتی جدید است که بر پایه اصول مکانیک کوانتومی کار می‌کند. برخلاف کامپیوترهای معمولی که اطلاعات را با بیت‌های صفر و یک پردازش می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از «کیوبیت» یا «Qubit» استفاده می‌کنند. همین تفاوت باعث می‌شود این دستگاه‌ها بتوانند بعضی محاسبات بسیار پیچیده را خیلی سریع‌تر انجام دهند. برای درک ساده‌تر، کامپیوتر کلاسیک مثل کسی است که یک‌به‌یک درها را امتحان می‌کند، اما رایانه کوانتومی شبیه کسی است که انگار هم‌زمان چندین در را بررسی می‌کند. به همین دلیل، این فناوری برای حوزه‌هایی مثل رمزنگاری، شبیه‌سازی و تحلیل داده بسیار مهم شده است.

تفاوت بیت و کیوبیت را چطور ساده بفهمیم؟

در کامپیوترهای عادی، هر بیت فقط می‌تواند یکی از دو حالت ۰ یا ۱ باشد. اما کیوبیت به‌دلیل ویژگی‌هایی مثل برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، می‌تواند به‌نوعی چند حالت را هم‌زمان در خود داشته باشد. این یعنی رایانه کوانتومی برای بعضی مسائل خاص، به‌جای حرکت قدم‌به‌قدم، می‌تواند چند مسیر را با هم بررسی کند. اگر بخواهیم با یک مثال ساده توضیح دهیم، بیت مثل یک کلید برق است که یا خاموش است یا روشن؛ اما کیوبیت بیشتر شبیه یک دیمر (یک تنظیم‌کننده نور لامپ که می‌تواند صفر، یک یا میان آن‌ها باشد) پیچیده است که هم‌زمان می‌تواند ترکیبی از چند وضعیت را نمایش دهد. همین ویژگی است که قدرت بالقوه رایانش کوانتومی را از کامپیوترهای امروزی جدا می‌کند.

بلاکچین و رمزارزها امروز به چه نوع امنیتی تکیه دارند؟

بلاکچین برای امن ماندن، به رمزنگاری متکی است. یکی از مهم‌ترین بخش‌های این امنیت، استفاده از کلید خصوصی و کلید عمومی است. کاربر با کلید خصوصی خود تراکنش را امضا می‌کند و دیگران با کلید عمومی می‌توانند صحت آن را بررسی کنند. اصل ماجرا این است که ساختن کلید عمومی از روی کلید خصوصی آسان است، اما برعکس آن بسیار سخت و تقریبا غیرعملی است. به زبان ساده، مثل این است که شما بتوانید از روی قالب، یک مهر بسازید، اما از روی اثر مهر نتوانید خود قالب را به‌راحتی بازسازی کنید. امنیت بسیاری از شبکه‌های رمزارزی بر همین اصل بنا شده است.

تهدید رایانش کوانتومی برای رمزارزها چیست؟

بزرگ‌ترین نگرانی این است که یک رایانه کوانتومی قدرتمند بتواند از روی کلید عمومی، کلید خصوصی را به دست بیاورد. اگر چنین اتفاقی رخ دهد، مهاجم می‌تواند خودش را به‌جای صاحب اصلی کیف پول جا بزند و دارایی او را خرج کند. در کنار این، برخی الگوریتم‌های کوانتومی مثل الگوریتم گروور (Grover’s algorithm) از نظر تئوری می‌توانند بعضی محاسبات مربوط به استخراج یا جست‌وجوی پاسخ‌های سخت را سریع‌تر انجام دهند و این موضوع شاید تعادل قدرت در بعضی شبکه‌ها را تغییر دهد. در واقع، تهدید اصلی کوانتوم برای کریپتو فقط سرعت بیشتر نیست؛ بلکه شکستن پایه‌های امنیتی فعلی است.

آیا این خطر تا سال 2030 جدی می‌شود؟

برخی کارشناسان تخمین می‌زنند که رایانه‌های کوانتومی شاید تا حوالی سال ۲۰۳۰ آن‌قدر قدرتمند شوند که بتوانند امنیت برخی زیرساخت‌های بلاکچینی را تهدید کنند. هر پروتکل رمزنگاری که به RSA (یک روش رمزنگاری معروف که امنیتش به سخت بودن تجزیه عددهای خیلی بزرگ وابسته است) یا منحنی‌های بیضوی (ECC امنیتش بر این استوار است که پیدا کردن کلید خصوصی از روی کلید عمومی برای کامپیوترهای معمولی تقریبا غیرعملی است) متکی باشد، در برابر الگوریتم شور (Shor’s algorithm یک الگوریتم کوانتومی است که اگر رایانه کوانتومی به‌اندازه کافی قدرتمند باشد، می‌تواند بعضی مسائل ریاضیِ پشت RSA و ECC را خیلی سریع‌تر حل کند.) آسیب‌پذیر در نظر گرفته می‌شود.

در مقابل، توابع هش مثل SHA256 که در شبکه ارز دیجیتال بیت کوین BTC $62,728 مورد استفاده قرار می‌گیرد و SHA3 و همچنین رمزنگاری متقارن مانند AES (در رمزنگاری متقارن اصلا چیزی به اسم کلید عمومی و خصوصی نداریم. در آن فقط یک کلید مشترک وجود دارد) فعلا مقاوم‌تر ارزیابی می‌شوند. به همین دلیل، نهادهای قانون‌گذار در آمریکا و اروپا از زیرساخت‌های حساس خواسته‌اند تا پیش از ۲۰۳۰ به الگوریتم‌های پساکوانتومی مهاجرت کنند. این پیام برای طراحان بلاکچین روشن است: همه لایه‌های فنی باید به‌مرور به‌روزرسانی شوند.

اتصال امن یا Secure Connections چه تغییری می‌کند؟

یکی از اولین بخش‌هایی که باید برای دنیای پساکوانتومی آماده شود، ارتباطات امن بین سرویس‌ها و کاربران است. پروتکل TLS 1.3 (پروتکل امنیتی پشت HTTPS است که ارتباط بین کاربر و سایت را رمزنگاری می‌کند) از همین حالا از برخی الگوریتم‌های پساکوانتومی پشتیبانی می‌کند و شرکت‌های بزرگی مثل گوگل و آمازون (AWS) نیز آرام‌آرام در حال مهاجرت خدمات خود هستند. یکی از گزینه‌های مطرح، الگوریتم ترکیبی X25519MLKEM768 است که بخش ML-KEM آن هم از سوی NIST تایید شده است. برای توسعه‌دهندگان، این یعنی باید گواهی‌های TLS خود را ارتقا دهند و با کلیدهای عمومی بزرگ‌تر کنار بیایند. در ظاهر این تغییر شاید کوچک به نظر برسد، اما در عمل یکی از پایه‌های مهم امنیت آینده وب۳ خواهد بود.

اجماع یا Consensus در بلاکچین چگونه باید تغییر کند؟

شبکه‌هایی که از الگوریتم اثبات سهام در آینده باید روش امضای پیام‌های اعتبارسنج‌ها را هم تغییر دهند. اعتبارسنج‌ها در فرآیند اجماع، پیشنهاد بلاک و رای خود را امضا می‌کنند و اگر این امضاها امن نباشند، کل سازوکار شبکه زیر سوال می‌رود. در نقشه راه بنیاد اتریوم، استفاده از امضاهای چندگانه XMSS همراه با تابع هش Poseidon2 مطرح شده و حتی یک پیاده‌سازی مرجع هم برای آن در زبان Rust وجود دارد. البته این نوع راه‌حل برای همه بخش‌های شبکه مناسب نیست و مخصوصا برای امضای تراکنش کاربران عادی چالش‌هایی دارد. بنابراین بلاکچین‌ها باید میان امنیت، پیچیدگی و کارایی توازن برقرار کنند.

کیف پول‌های تک امضا (HMS) و چند امضا (MPC) در عصر پساکوانتومی چه وضعی دارند؟

کیف پول‌های تک امضا (HMS) و چند امضا (MPC) روش‌هایی هستند که معمولا توسط سازمان‌ها و نهادهای بزرگ مالی مورد استفاده قرار می‌گیرند. گاهی اوقات این روش‌ها به‌صورت ترکیبی استفاده می‌شود؛ اما مشکل اینجاست که بیشتر این راهکارها امروز به همان رمزنگاری‌های قدیمی وابسته‌اند و در آینده باید جایگزین شوند. HSMهای پساکوانتومی کم‌کم در بازار ظاهر می‌شوند و سرویس‌های ابری مثل آمازون و گوگل هم نمونه‌هایی از KMS نرم‌افزاری پساکوانتومی را ارائه کرده‌اند. با این حال، راه‌حل‌های مخصوص بازار بلاکچین هنوز فراگیر نشده‌اند. برای همین طراحان شبکه‌ها باید خیلی زود مشخصات فنی خود را منتشر کنند تا دارندگان دارایی، در روزی که تهدید کوانتومی جدی شد، بدون گزینه امن نمانند.

از SNARK به STARK؛ اثبات‌های دانش صفر هم باید عوض شوند

رایانه‌های کوانتومی فقط امضاهای دیجیتال را تهدید نمی‌کنند، بلکه برخی سیستم‌های محبوب اثبات دانش صفر را هم به چالش می‌کشند. سامانه‌هایی مانند Groth16، Halo2 و PlonK به رمزنگاری مبتنی بر منحنی بیضوی وابسته‌اند و به همین دلیل در برابر حملات کوانتومی آسیب‌پذیر محسوب می‌شوند. به همین خاطر، شبکه‌ها باید به سمت گزینه‌های مقاوم‌تری مانند STARK و SNARG حرکت کنند. البته این مدل‌های جدید هم هزینه خود را دارند؛ مثلا اثبات‌ها بزرگ‌تر می‌شوند و زمان تایید افزایش پیدا می‌کند. در عمل، این یعنی امنیت بالاتر به بهای مصرف منابع بیشتر به دست می‌آید.

چرا بیت کوین بیشتر از بقیه در این بحث مثال زده می‌شود؟

بیت کوین قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین شبکه بلاکچینی است و به همین دلیل معمولا در بحث‌های امنیتی به‌عنوان نمونه اصلی مطرح می‌شود. در بیت کوین، وقتی کاربر می‌خواهد کوین‌های خود را خرج کند، باید امضای دیجیتال ارائه دهد تا مالکیت او تایید شود. اگر روزی یک مهاجم کوانتومی بتواند این امضا را جعل کند، عملا می‌تواند بیت کوین‌های دیگران را سرقت کند.

به همین دلیل، پژوهشگران بارها این سوال را مطرح کرده‌اند که اگر یک کامپیوتر کوانتومی بسیار قوی همین امروز وجود داشت، چه مقدار از بیت کوین‌ها در معرض خطر قرار می‌گرفتند. این مثال کمک می‌کند تهدید کوانتوم را نه در حد یک ایده علمی، بلکه در سطح یک ریسک مالی واقعی بفهمیم.

اگر یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ امروز وجود داشت، چه اتفاقی می‌افتاد؟

همه بیت کوین‌ها به یک اندازه آسیب‌پذیر نیستند، اما بخش مهمی از آن‌ها می‌توانند در خطر باشند. بیت کوین‌هایی که در آدرس‌های قدیمی p2pk نگهداری می‌شوند یا در آدرس‌های p2pkh تکراری و دوباره‌استفاده‌شده قرار دارند، بیشتر در معرض حمله کوانتومی‌اند.

در گزارشی گفته شده بیش از ۴ میلیون ارز BTC، یعنی حدود ۲۵ درصد از کل بیت کوین‌ها، بالقوه می‌توانند در برابر چنین حمله‌ای آسیب‌پذیر باشند. این عدد نشان می‌دهد مسئله فقط یک دغدغه تئوریک نیست. اگر روزی چنین حمله‌ای ممکن شود، اثر آن فقط سرقت دارایی نیست؛ بلکه می‌تواند اعتماد عمومی به کل بازار را هم به‌شدت متزلزل کند.

چرا این تهدید هنوز فوری نیست؟

با وجود همه این نگرانی‌ها، متخصصان تاکید می‌کنند که رایانش کوانتومی هنوز در ابتدای راه است. رایانه‌های کوانتومی فعلی بسیار حساس‌اند و عواملی مثل میدان مغناطیسی زمین، پرتوهای محیطی و حتی نویزهای کوچک می‌توانند محاسباتشان را مختل کنند. این دستگاه‌ها هنوز خطاهای زیادی دارند و در اختیار تعداد محدودی از شرکت‌ها و پژوهشگران هستند. برخی برآوردها نشان می‌دهد شکستن بعضی کلیدها با فناوری کوانتومی فعلی یا حتی نسل‌های نزدیک، هنوز به زمان زیادی نیاز دارد. بعضی تخمین‌ها زمان لازم برای شکستن یک امضای بیت کوین را حدود ۳۰ دقیقه یا بیشتر می‌دانند، در حالی که تایید تراکنش بیت کوین معمولا خیلی زودتر انجام می‌شود. 

صنعت بلاکچین برای آینده چه کار می‌تواند بکند؟

خبر خوب این است که توسعه‌دهندگان بلاکچین و متخصصان رمزنگاری از همین حالا به فکر راه‌حل هستند. یکی از مهم‌ترین مسیرها، حرکت به سمت «رمزنگاری پساکوانتومی» است؛ یعنی الگوریتم‌هایی که قرار است در برابر حملات کوانتومی مقاوم باشند. همچنین به کاربران هم توصیه می‌شود از استفاده مجدد از آدرس‌ها خودداری کنند و دارایی‌های خود را به آدرس‌های جدید و امن‌تر منتقل کنند. البته این راه‌حل‌ها همیشه ساده نیستند؛ چون اجرای تغییرات بزرگ در شبکه‌های غیرمتمرکز نیاز به اجماع جامعه، توسعه فنی و زمان دارد. به بیان دیگر، صنعت کریپتو هنوز به بن‌بست نرسیده، اما برای آینده باید از حالا آماده شود.

چه ارزهایی در حال آماده شدن برای عصر کوانتومی هستند؟

شبکه‌های بزرگی مثل سولانا و اتریوم که میلیون‌ها کاربر روزانه از آن‌ها به مقاصد مختلفی استفاده می‌کنند، مدت‌هاست که به فکر برطرف کردن مشکلات احتمالی حاصل از رویایی با دنیای کوانتومی هستند. در همین راستا، سولانا با همکاری دو تیم آنزا (Anza) و فایردنسر (Firedancer) در حال آماده‌سازی فالکون (Falcon) به عنوان یک راهکار جدید برای دوران پساکوانتومی است. از طرفی، اتریوم نیز در وبسایت خود در یک مقاله به‌طور مفصل به راهکارهایی که قرار است جهت پیشگیری از رخدادهای پساکوانتومی پیاده‌سازی کند، پرداخته است. این امر نشان می‌دهد شبکه‌های بزرگ خود را برای یک دوران سخت و ناشناخته آماده می‌کنند.

جمع‌بندی؛ آیا کوانتوم پایان بلاکچین است؟

رایانش کوانتومی را نباید یک تهدید خیالی یا برعکس، یک خطر فوری و قطعی دانست. واقعیت جایی بین این دو قرار دارد. این فناوری در آینده می‌تواند امنیت فعلی برخی سازوکارهای بلاکچینی را به چالش بکشد، به‌ویژه در شبکه‌هایی که به رمزنگاری نامتقارن فعلی وابسته‌اند. اما در حال حاضر، رایانه‌های کوانتومی هنوز آن‌قدر پیشرفته نشده‌اند که بتوانند این تهدید را به‌صورت عملی و گسترده اجرا کنند. بنابراین بهتر است به‌جای ترس یا اغراق، با نگاهی متعادل به موضوع نگاه کنیم: بلاکچین امروز هنوز پابرجاست، اما برای اینکه فردا هم امن بماند، باید از همین حالا به فکر مهاجرت به راهکارهای مقاوم در برابر کوانتوم باشد.

سوالات متداول (FAQ)

رایانش کوانتومی چیست؟

رایانش کوانتومی نوعی فناوری محاسباتی پیشرفته است که به‌جای بیت‌های صفر و یک، از کیوبیت استفاده می‌کند و می‌تواند برخی محاسبات پیچیده را بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای معمولی انجام دهد.

چرا کامپیوترهای کوانتومی برای ارزهای دیجیتال مهم هستند؟

چون امنیت بلاکچین و رمزارزها به رمزنگاری وابسته است و کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند ممکن است در آینده بتوانند بعضی از این روش‌های رمزنگاری را بشکنند.

آیا رایانش کوانتومی می‌تواند کلید خصوصی کیف پول‌ها را پیدا کند؟

از نظر تئوری، اگر رایانه کوانتومی به‌اندازه کافی قدرتمند شود، می‌تواند برخی روش‌های رمزنگاری مثل RSA و ECC را تهدید کند و از روی کلید عمومی به کلید خصوصی نزدیک شود.

آیا بیت کوین همین حالا در خطر حمله کوانتومی است؟

خیر. رایانه‌های کوانتومی فعلی هنوز برای چنین حملاتی به‌اندازه کافی قدرتمند و پایدار نیستند. با این حال، برخی آدرس‌های قدیمی یا دوباره‌استفاده‌شده بیت کوین در آینده می‌توانند ریسک بیشتری داشته باشند.

کدام بخش‌های بلاکچین باید برای عصر پساکوانتومی تغییر کنند؟

بخش‌هایی مثل امضاهای دیجیتال، کیف پول‌ها، آدرس‌ها، اتصالات امن، مکانیزم اجماع و حتی برخی اثبات‌های دانش صفر باید به‌مرور با الگوریتم‌های مقاوم در برابر کوانتوم سازگار شوند.

رمزنگاری پساکوانتومی چیست؟

رمزنگاری پساکوانتومی به مجموعه‌ای از الگوریتم‌های امنیتی گفته می‌شود که برای مقاومت در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی طراحی شده‌اند.

آیا کوانتوم پایان بلاکچین است؟

خیر. رایانش کوانتومی یک تهدید جدی برای آینده است، اما به معنی پایان بلاکچین نیست. اگر شبکه‌ها از حالا برای مهاجرت به راهکارهای پساکوانتومی آماده شوند، می‌توانند امنیت خود را حفظ کنند.