من RSA إلى الشبكات: التحول الكمي الآمن في التشفير

إن السباق لتحويل بروتوكولات الأمان عبر الإنترنت إلى بروتوكولات لا يمكن اختراقها بواسطة كمبيوتر كمي قد بدأ بالفعل. إن الخوارزميات المستخدمة بشكل شائع اليوم لحماية البيانات عبر الإنترنت – RSA وتشفير المنحنى الإهليلجي – غير قابلة للاختراق بواسطة أجهزة الكمبيوتر العملاقة، ولكن الكمبيوتر الكمي الكبير بما يكفي سيسهل عملها. هناك خوارزميات آمنة بما فيه الكفاية لتكون بعيدة عن متناول كل من الآلات الكمومية الكلاسيكية والمستقبلية، والتي تسمى التشفير ما بعد الكمي، ولكن الانتقال إليها هو عمل مستمر.

في أواخر الشهر الماضي، نشر فريق Google Quantum AI ورقة بيضاء أضافت أهمية كبيرة لهذا السباق. وفيه، أظهر الفريق أن حجم الكمبيوتر الكمي الذي قد يشكل تهديدًا للتشفير هو أصغر بحوالي 20 مرة مما كان يعتقد سابقًا. لا يزال هذا بعيدًا عن متناول أجهزة الكمبيوتر الكمومية الموجودة اليوم: تتكون أكبر الأجهزة حاليًا من حوالي 1000 بت كمي، أو كيوبت، وقدرت الورقة البيضاء أن هناك حاجة إلى حوالي 500 مرة من ذلك العدد. ومع ذلك، يؤدي هذا إلى تقصير الجدول الزمني للانتقال إلى خوارزميات ما بعد الكم.

كان للأخبار مستفيد مفاجئ: قفز سعر العملة المشفرة الغامضة Algorand بنسبة 44٪ ردًا على ذلك. دعت الورقة البيضاء شركة Algorand خصيصًا لتنفيذ التشفير ما بعد الكمي على blockchain الخاصة بهم. لقد التقينا بكبير المسؤولين العلميين في Algorand وأستاذ علوم الكمبيوتر والهندسة في جامعة ميشيغان، كريس بيكرت، لفهم كيفية تأثير هذا الإعلان على التشفير، ولماذا تشعر العملات المشفرة بالتأثيرات، وما قد يخبئه المستقبل. إن عمل بيكرت المبكر على نوع معين من الخوارزميات المعروفة باسم التشفير الشبكي يشكل الأساس لمعظم أمن ما بعد الكم اليوم.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: ما أهمية ورقة عمل Google Quantum AI؟

بيكرت: خلاصة هذه الورقة هي أنها تظهر أن الكمبيوتر الكمي سيكون قادرًا على كسر بعض التشفيرات المستخدمة على نطاق واسع، خاصة في سلاسل الكتل والعملات المشفرة، بموارد أقل بكثير مما تم إنشاؤه سابقًا. تتضمن هذه الموارد الوقت الذي سيستغرقه القيام بذلك وعدد البتات الكمومية (أو البتات الكمومية) التي سيتعين عليها استخدامها.

يعد هذا التشفير أمرًا أساسيًا للغاية ليس فقط للعملات المشفرة، ولكن على نطاق أوسع للتشفير على الإنترنت. كما يتم استخدامه لاتصالات الويب الآمنة بين متصفحات الويب وخوادم الويب. تُستخدم إصدارات التشفير المنحني الإهليلجي في أنظمة الأمن القومي والتشفير العسكري. إنه منتشر جدًا ومنتشر في جميع الشبكات والبروتوكولات الحديثة.

ولم يقتصر الأمر على تحسين هذه الورقة للخوارزميات فحسب، بل كان هناك أيضًا بحث متزامن يوضح أن الأجهزة نفسها قد تم تحسينها بشكل كبير. كان الادعاء هنا هو أن عدد الكيوبتات المادية اللازمة لتحقيق نوع معين من الكيوبت المنطقي قد انخفض أيضًا بشكل كبير. وهذان النوعان من التحسينات يتفاقمان مع بعضهما البعض. إنه موقف مربح للجانبين من منظور الحوسبة الكمومية، لكنه موقف خاسر بالنسبة للتشفير.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: ماذا تعني نتائج Google AI بالنسبة للعملات المشفرة والنظام البيئي الأوسع للأمن السيبراني؟

بيكرت: كان هناك دائمًا هذا التهديد الذي يلوح في الأفق على مسافة أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تكسر جزءًا كبيرًا من التشفير المستخدم في جميع أنحاء النظام البيئي للعملات المشفرة. وأعتقد أن ما فعلته هذه الورقة كان في الواقع أعلى إنذار حتى الآن من أن هذه الأنواع من الهجمات الكمومية قد لا تكون بعيدة كما توقع البعض، أو أملوا، في السنوات الأخيرة. لقد تسبب ذلك في إعادة تقييم في جميع أنحاء الصناعة، ورفع الجدول الزمني للوقت الذي قد تكون فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على كسر هذا التشفير.

عندما نفكر في الجداول الزمنية ومتى يكون من المهم إكمال هذه التحولات [to post-quantum cryptography]، نحتاج أيضًا إلى مراعاة التحسينات غير المعروفة التي يجب أن نتوقع رؤيتها في السنوات القادمة. إن علم الحوسبة الكمومية لن يظل ثابتًا، وستكون هناك المزيد من الإنجازات. لا يمكننا أن نقول بالضبط ماذا سيكونون أو متى سيأتون، لكن يمكنك المراهنة على أنهم سيأتون.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: ما هو تخمينك بشأن ما إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون قادرة على كسر التشفير في العالم الحقيقي ومتى؟

بيكرت: فبدلاً من التفكير في تاريخ محدد نتوقع قدومهم فيه، علينا أن نفكر في الاحتمالات والمخاطر مع مرور الوقت. لقد كانت هناك تطورات هائلة، بما في ذلك ليس فقط هذه الورقة، ولكن أيضًا بعض التطورات في العام الماضي. ولكن حتى مع ذلك، أعتقد أن فرصة نجاح هجوم التشفير بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية في السنوات الثلاث المقبلة منخفضة للغاية، ربما أقل من بالمائة. ولكن بعد ذلك، مع مرور عدة سنوات، مثل خمس أو ست أو عشر سنوات، يجب على المرء أن يفكر بجدية في احتمالية، ربما 5 بالمائة أو 10 بالمائة أو أكثر. لذلك فهي لا تزال صغيرة إلى حد ما، ولكنها مهمة بدرجة كافية بحيث يجب علينا القلق بشأن المخاطر، لأن القيمة المحمية بهذا النوع من التشفير هائلة حقًا.

حددت حكومة الولايات المتحدة عام 2035 كهدف لها لترحيل جميع أنظمة الأمن القومي إلى التشفير ما بعد الكمي. يبدو هذا موعدًا حكيمًا، نظرًا للجداول الزمنية التي يستغرقها تحديث التشفير. إنها عملية بطيئة. يجب أن يتم ذلك بشكل متعمد وبعناية للتأكد من أنك لا تقوم بإدخال نقاط ضعف جديدة، وأنك لا ترتكب أخطاء، وأن كل شيء لا يزال يعمل بشكل صحيح. لذا، كما تعلمون، نظرًا للتوقعات المستقبلية للحواسيب الكمومية في الأفق، من المهم حقًا أن نستعد الآن، أو بالأمس، أو قبل بضع سنوات، لهذا النوع من التحول.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: هل هناك حواجز كبيرة تراها أمام التبني الصناعي لتشفير ما بعد الكم في المستقبل؟

بيكرت: من الصعب جدًا تغيير التشفير. لم نشهد سوى تحول واحد أو ربما اثنين من التحولات الرئيسية في علم التشفير منذ أوائل الثمانينيات أو أواخر السبعينيات، عندما تم اختراع هذا المجال لأول مرة. ليس لدينا حقًا طريقة منهجية لنقل التشفير.

التحدي الإضافي هو أن مقايضات الأداء تختلف تمامًا في التشفير ما بعد الكم عما هي عليه في الأنظمة القديمة. تعد المفاتيح والنصوص المشفرة والتوقيعات الرقمية أكبر بكثير في التشفير ما بعد الكمي، لكن الحسابات تكون في الواقع أسرع عادةً. لقد قام الناس بتحسين التشفير من أجل السرعة في الماضي، ولدينا الآن سرعات عالية جدًا للتشفير ما بعد الكمي، لكن أحجام المفاتيح تمثل تحديًا.

خاصة في تطبيقات blockchain، مثل العملات المشفرة، تعد المساحة الموجودة على blockchain أعلى من قيمتها. لذا فهو يتطلب إعادة تقييم في العديد من التطبيقات لكيفية دمج التشفير في النظام، وهذا العمل مستمر. ويستخدم النظام البيئي blockchain الكثير من التشفير المتقدم، والأشياء الغريبة مثل إثباتات المعرفة الصفرية. في كثير من الحالات، لدينا هياكل بدائية لأدوات التشفير الفاخرة هذه من رياضيات ما بعد الكم، لكنها ليست ناضجة وجاهزة للصناعة مثل الأنظمة القديمة التي تم نشرها. لا يزال تطوير إصدارات ما بعد الكم من مخططات التشفير الرائعة للغاية والتي يتم استخدامها في التطبيقات المتطورة يمثل تحديًا تقنيًا مهمًا.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: باعتبارك باحثًا أكاديميًا في مجال التشفير، ما الذي جذبك للعمل مع العملات المشفرة، وAlgorand على وجه الخصوص؟

بيكرت: دكتوراه السابقة. المستشار هو سيلفيو ميكالي، مخترع الجوراند. النظام أنيق جداً . إنه نظام blockchain عالي الأداء، ويستخدم القليل جدًا من الطاقة، ويتمتع بإنهاء سريع للمعاملات، وعدد من الميزات الرائعة الأخرى. وأعرب سيلفيو عن تقديره لأن هذا التهديد الكمي كان حقيقيًا وكان قادمًا، وقد تواصل معي الفريق بشأن المساعدة في تحسين بروتوكول ألجوراند على المستويات الأساسية ليصبح أكثر أمانًا بعد الكم في عام 2021. وكانت تلك فرصة مثيرة للغاية، لأنه كان تحديًا هندسيًا وعلميًا صعبًا لدمج التشفير بعد الكم في جميع الآليات التقنية والتشفير المختلفة التي كانت أساس البروتوكول.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: ما هو الوضع الحالي للتشفير ما بعد الكمي في Algorand و blockchain بشكل عام؟

بيكرت: لقد حددنا بعض المشكلات الأكثر إلحاحًا وعملنا على حل بعضها، ولكنها مشكلة متعددة الأوجه بشكل عام. لقد بدأنا بسلامة السلسلة نفسها، وهو تاريخ المعاملات الذي يجب على الجميع الاتفاق عليه.

كان مشروعنا الرئيسي الأول هو تطوير نظام من شأنه أن يضيف أمان ما بعد الكم إلى تاريخ السلسلة. لقد قمنا بتطوير نظام يسمى إثباتات الحالة لذلك، وهو مزيج من التشفير العادي ما بعد الكمي وأيضًا بعض التشفير الأكثر روعة: إنها طريقة لأخذ عدد كبير من التوقيعات واستيعابها في عدد أقل بكثير من التوقيعات، مع البقاء واثقًا من أن هذا العدد الكبير من التوقيعات موجود بالفعل ويتم تشكيله بشكل صحيح. لقد تابعناها أيضًا بأبحاث ومشاريع أخرى تتعلق بإضافة التشفير والأمان بعد الكم إلى جوانب أخرى من blockchain في نظام Algorand البيئي.

إنه ليس مشروعًا كاملاً بعد. نحن لا ندعي أننا آمنون تمامًا بعد الكم. يعد تحقيق هذا هدفًا صعبًا للغاية، وهناك جوانب سنواصل العمل عليها في المستقبل القريب.

طيف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: من وجهة نظرك، هل سنعتمد التشفير ما بعد الكمي قبل أن تلحق بنا المخاطر فعليًا؟

بيكرت: أنا أميل إلى التفاؤل بشأن هذه الأمور. أعتقد أنه أمر جيد جدًا أن يدرك عدد أكبر من الأشخاص في أدوار صنع القرار أن هذا موضوع مهم، وأن هذا النوع من الهجرات يجب القيام به. أعتقد أننا لا نستطيع أن نكون راضين عن ذلك، ولا يمكننا تأجيل الأمور لفترة أطول. لكنني أرى أن التركيز منصب على هذه المشكلة المهمة، لذلك أنا متفائل بأن معظم الأنظمة المهمة سيكون لها في نهاية المطاف إما عمليات تخفيف جيدة أو عمليات ترحيل كاملة.

ولكنها أيضًا نقطة في الأفق لا نعرف بالضبط متى ستأتي. لذلك، هناك احتمال أن يكون هناك تقدم كبير، وأن يكون أمامنا سنوات أقل بكثير مما كنا نأمل، وأننا لن نتمكن من ترقية جميع الأنظمة التي نرغب في إصلاحها بحلول الوقت الذي تصل فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية.