باحثون يعلنون تشغيل بروتوكول لكسر RSA – ماذا يعني هذا بالنسبة لأمن المعلومات على الإنترنت؟
نوا فيلدمان، موقع معهد ديفيدسون، الذراع التعليمي لمعهد وايزمان للعلوم
تتقدم ثورة الحوسبة الكمومية بوتيرة حذرة ولكن واعدة. تدخل شركات جديدة هذا المجال ويتم توجيه الميزانيات نحو تطوير التكنولوجيا. عندما يتم ذكر هذه التكنولوجيا، يتم دائمًا ذكر أحد الاستخدامات المحتملة المهمة للحاسوب الكمومي - كسر الشفرات، وخاصة تشفير RSA، الذي يستخدم لحماية مجموعة متنوعة من الأنشطة اليومية عبر الإنترنت مثل المراسلات عبر البريد الإلكتروني، والاتصالات المصرفية، وحتى إرسال معلومات سرية على الشبكات العسكرية أو التجارية.
حديثاً أعلن علماء من الصين أنهم تمكنوا من إنشاء وتشغيل البروتوكول اللازم لكسر تشفير RSA. يجب أن يكون هذا التقدم من مرحلة التطوير الأولية نحو جهاز كمبيوتر كمي عامل ومفيد موضع قلق كبير لأي شخص يقدر خصوصيته، أو يعتمد على الأنظمة المصرفية، أو يثق في الاتصالات العسكرية المشفرة اللازمة لحماية أمنه - أي جميعنا. هل لدينا حقا سبب وجيه للقلق؟
شيفرة من الصعب جدًا كسرها
تشفير RSAتعتمد لعبة الرياضيات الجديدة، التي سُميت على اسم مطوريها، رون ريفيست، وأدي شامير، وليونارد إيدلمان، على ضرب عددين أوليين كبيرين للغاية. من السهل ضرب عددين أوليين، ولكن من الصعب عكس العملية، أي تحليل النتيجة إلى عامليها الأوليين. ما مدى صعوبة ذلك؟ يزداد عدد العمليات المطلوبة لتحليل عدد ما بمعدل متزايد (معدل أسي) مع زيادة العدد. إذا كانت الأرقام كبيرة جدًا، فإن كمية العمليات الحسابية المطلوبة بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي (عادي) لتحليل الرقم ستستغرق وقتًا غير معقول. وبالتالي، يمكننا القول إن حاصل ضرب الرقمين يخفي الأعداد الأولية، ويمكن استخدامها كمفتاح افتراضي لتشفير المعلومات. شرح كامل لآلية التشفير لقد قدمنا بالفعل في الماضي.. ولأغراضنا، يكفي أن نفهم أنه من أجل كسر التشفير، يجب تحليل عدد كبير جدًا إلى عوامله الأولية.
ولإجراء مثل هذا التحليل، يمكن للمرء استغلال ظاهرة رياضية بسيطة موجودة عند ضرب الأرقام - وهي القدرة تحديد الدورية في ملف PDF للضرب واستخراج العوامل منه. ولكن بما أن هذا عدد ضخم، فإن مهمة العثور على الدورة في عدد ما معقدة للغاية بالنسبة لجهاز كمبيوتر عادي.
وظيفة دورية. باللون الأحمر: الدورة. على جهاز كمبيوتر عادي، سوف نحتاج إلى أخذ عينات من الوظيفة على نطاق واسع بما يكفي حتى نتمكن من اكتشاف الدورية. هذه العملية صعبة وطويلة، ولا يمكن الاعتماد عليها لكسر التشفير. الرسم البياني: نوا فيلدمان
وهنا تأتي ميزة الكمبيوتر الكمومي. إن العناصر الأساسية لبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية تتمتع بخصائص كمية. الخاصية الكمية المركزية هي أن الحالة الفيزيائية للمكونات تتصرف مثل الموجة أو مثل مجموعة من الموجات. وبفضل هذا السلوك، الذي يعتمد على الموجات الدورية، أصبحت أجهزة الكمبيوتر الكمومية حساسة للدورية. في الواقع، من المتوقع منهم أن يتفوقوا في عملية رياضية تسمى تحلل فورييه، والتي تستخدم، من بين أمور أخرى، لمعالجة إشارات الموجات والعثور على دوريتها.
ما مدى جودة الكمبيوتر الكمومي المتوقع في اكتشاف الدورية؟ بدلاً من كمية هائلة من العمليات الحسابية نسبة إلى حجم العدد المقسم، فإن الكمبيوتر الكمومي سوف يكون قادراً على الاكتفاء بمعدل نمو أكثر اعتدالاً يسمى "الزمن المتعدد الحدود"، أو بشكل أكثر دقة، هذا العدد إلى القوة الثلاثة. وبسبب الاختلاف في معدل الزيادة في وقت الحساب المطلوب، فمن المتوقع أن يكون الكمبيوتر الكمومي أسرع بكثير بالنسبة للأعداد الكبيرة.
ومن المتوقع أن يكون الكمبيوتر الكمومي سريعًا وفعالًا بدرجة كافية في تحليل الأرقام بحيث لن تكون العملية صعبة بعد الآن. وإذا لم يكن الأمر صعبًا للغاية، فلا يمكننا الاعتماد عليه للتشفير بعد الآن. أي شخص يستطيع تحليل أعداد كبيرة سوف يتمكن من الوصول إلى كمية هائلة من المعلومات الخاصة أو السرية التي تم تشفيرها لمنع وقوعها في أيدي أجنبية.
معدل الزيادة في وقت الحساب المطلوب. باللون الأحمر: ترتيب حجم وقت الحساب الكلاسيكي؛ باللون الأخضر: وقت الحوسبة الكمومية، والذي يبلغ 60 دقيقة بالفعل، يمثل ميزة كبيرة للحاسوب الكمومي، وفي التشفير نتحدث عن أرقام أكبر بكثير | الرسم البياني: نوا فيلدمان
مكان للقلق
والآن يمكننا العودة إلى السؤال الذي طرحناه في البداية: هل هناك سبب للقلق؟ أولاً، دعونا نرى ما هي حالة تكنولوجيا الحوسبة الكمومية اليوم. من أجل كسر التشفير، يجب أن يكون الكمبيوتر الكمومي كبيرًا بدرجة كافية، وهذا يعني أنه يحتاج إلى امتلاك وحدات معلومات أساسية كافية ليكون قادرًا على تخزين أعداد كبيرة بما يكفي في ذاكرته العاملة. في هذه الحالة، الأرقام "الكبيرة بما يكفي" هي أرقام من رتبة حجم الرقم الذي نريد تحليله. يحتوي الرقم النموذجي المستخدم في تشفير RSA اليوم على 4,096 بت - الوحدات الأساسية للمعلومات في أجهزة الكمبيوتر العادية. وهذا يعني أن الكمبيوتر الكمومي يجب أن يتكون من عدة آلاف من الكيوبتات (البتات الكمومية) - وحدات المعلومات الكمومية الأساسية.
إن أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يتم تطويرها حاليًا في أكبر المختبرات وأغناها لا تزال بعيدة عن هذا الهدف. تحتوي مختبرات Google Quantum على جهاز كمبيوتر أساسي يحتوي على 105 كيوبت؛ لدى شركة IBM ما يزيد قليلاً عن ألف. وزعم علماء من الصين أنهم نجحوا في تشغيل بروتوكول كسر التشفير على جهاز كمبيوتر من شركة تسمى D-Wave، والذي يتكون من ألفي كيوبت. لاحظ أن العدد الكبير من البتات الكمومية لا يشير بالضرورة إلى جهاز كمبيوتر أكثر تقدمًا، لأن كل شركة تركز على وظائف مختلفة وتحسينات أخرى للتكنولوجيا.
وهذا ليس كل شيء - ستحتاج الخوارزمية أيضًا إلى آلية للحماية من الأخطاء، أي من الضوضاء والأخطاء. يتطلب هذا مزيجًا من الأجهزة القوية، التي تسبب أخطاء قليلة، مع بروتوكول قوي لتصحيح الأخطاء. وفي الأشهر الأخيرة، يبدو أن مختبرات جوجل الكمومية حققت أيضًا تقدمًا كبيرًا. في مجال الأجهزة וגם في مجال البرمجيات مطلوبة للتحكم وتصحيح الأخطاء. وهذه خطوة هامة، ولكنها لا تزال في مراحل التطوير، ولا يتم استخدامها حاليًا على أجهزة الكمبيوتر الموجودة.
بالإضافة إلى ذلك، يتطلب تصحيح الأخطاء أيضًا عددًا أكبر من البتات الكمومية، لعمل نسخة احتياطية من المعلومات في حالة فقدها بسبب خطأ ما. تتطلب بروتوكولات الإصلاح الشائعة استخدام تسعة أضعاف أو أكثر من الحد الأدنى الضروري لعدد البتات الكمومية، مما يؤدي فقط إلى توسيع الفجوة بين ما هو متاح وما هو مرغوب فيه.
لذا، فمن المستحيل حاليًا كسر التشفير باستخدام الكمبيوتر الكمومي. ومع ذلك، فمن الصعب التنبؤ بما سيحدث في السنوات القادمة. ويقدر الخبراء أن بناء أجهزة كمبيوتر كمية كبيرة ومستقرة بما يكفي لكسر الشفرات سوف يستغرق حوالي عشر سنوات أخرى. هذا مجرد تخمين متعلم، بطبيعة الحال، والخبراء منقسمون للغاية. يزعم البعض أن تكنولوجيا الحوسبة الكمومية سوف تحقق هذا الهدف خلال بضع سنوات، في حين يعتقد البعض الآخر أن هذا لن يحدث أبدًا. وفي الوقت نفسه، يجري بالفعل في أماكن أخرى تطوير أساليب تشفير جديدة لن يتمكن الكمبيوتر الكمومي من كسرها. وتستخدم التقنيات الأكثر واعدة حاسوبًا كميًا في عملية التشفير لإنشاء تشفير أقوى.
وبطبيعة الحال، فإن فك الشفرات ليس الاستخدام الوحيد الذي من المتوقع أن يتمتع به الكمبيوتر الكمومي. قبل وقت طويل من أن تصبح التكنولوجيا ناضجة بما يكفي لكسر الشفرات، سيكون من الممكن بالفعل استخدام أجهزة كمبيوتر Hello للبحث عن المواد المتقدمة والأدوية المبتكرة. كم من الوقت سيستغرق هذا؟ من الصعب أن نعرف. كما هو الحال في العديد من المجالات، فإن التطور التكنولوجي لا يتقدم في خط مستقيم، ومن الصعب تحديد متى ستأتي اللحظة التي تتوج فيها عقود من التطوير بمنتج مستقر ومفيد. إن الإنجازات العديدة التي تم تسجيلها في العام الماضي تعطي الأمل في أن وتيرة التطوير تتسارع بالفعل، وفي السنوات القادمة سنكون قادرين على البدء في جني ثمار الحوسبة الكمومية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
