نویسنده
رایانش کوانتومی یا رایانه کوانتومی که به زبان انگلیسی از آن با عنوان Quantum Computer یاد میشود، دستگاهی قدرتمند و بسیار هوشمند است که از پدیده‌ها و قوانین مختلف و اختصاصی مکانیک کوانتوم پیروی میکند. مهم ترین مولفه که در رایانه کوانتومی وجود دارند، شامل مسائلی همچون برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) هستند که با صورت اختصاصی مربوط به علم فیزیک کوانتوم میشوند و به صورت مستقیم در پردازش این نوع از کامپیوترها دخیل هستند. مهم ترین و اساسی ترین ایده‌ای که پشت صحنه این نوع از کامپیوترها نهفته است، به صورت کاملاً مستقیم از قوانین فیزیک کوانتوم برای فرایند بررسی داده‌ها و همچنین ذخیره سازی اطلاعات بهره میبرد.
کامپیوترهای کوانتومی برای اولین بار در سال ۱۹۹۸با ظرفیت ۲ کیوبیت تولید شدند؛ البته فرایند ساخته شدن این نوع کامپیوترها در سال های بعدی پیشرفته تر شد و کامپیوترهای کوانتومی با ظرفیت های ۵ و ۷ کیوبیتی هم ساخته شدند. شاید این سؤال برای شما پیش آمده باشد که واحد «کیوبیت» دقیقاً چه چیزی است؟ برای پاسخ به این سؤال باید به اصلی ترین جزء یک رایانه کوانتومی برویم. اصلی ترین جزئی که در این رایانه، واحد پردازش اطلاعات آن است که با عنوان «بیت کوانتومی» یا «کیوبیت (Qubit)» شناخته میشود.
مهم ترین مسئله‌ای که باعث شده است، واحدهای کیوبیت به عنوان اصلی ترین جز محسوب شوند، این است که اگر در مورد بیت کلاسیک اطلاعات داشته باشید، حتماً به خوبی میدانید که یک بیت کلاسیک در یک زمان واحد، میتواند در حالت ۰ و یا در حالت ۱ باشد. نکته اصلی اینجاست که یک واحد بیت کوانتومی یا کیوبیت در هر لحظه میتواند هم ۰ و هم ۱ باشد؛ همه این ویژگی‌های پیچیده و کوانتومی به قوانین مربوط به حالت برهم نهی مربوط میشود که در ابتدای این پاراگراف به آن پرداختیم. موضوع کامپیوترهای کوانتومی نیازمند پرداختن تخصصی و مفصل به این موضوع است که در این مقاله نمیگنجد. برای بررسی بیشتر این دست از کامپیوترهای قدرتمند و ارتباط آنها با ارزهای دیجیتال، باید آنها را با کامپیوترهای کلاسیک مقایسه کنیم.
رایانه های کوانتومی بدون ترانزیستور
بدیهی است که کامپیوترهای کوانتومی با برخورداری از سازوکارهای ویژه، قابلیت حل کردن مشکلاتی را دارند که پیش از آنها با استفاده از کامپیوترهای کلاسیک، امکان پذیر نبودند. در بخش قبلی به این موضوع اشاره کردیم که کامپیوترهای کوانتومی به دلیل برخورداری از قوانین ویژه مکانیک کوانتوم میتوانند از واحد هایی با عنوان کیوبیت برخوردارند که در هر لحظه هم ۰ و هم ۱ هستند؛ این ویژگی یکی از برتری های کامپیوترهای کوانتومی بر کامپیوترهای کلاسیک است. در همین لحظه که ما از سیستم های کامپیوتری استفاده میکنیم، با توجه به قوانین باینری و ریاضی، واحدهای پردازنده اطلاعات یا ۰ و یا ۱ هستند. به طور کلی، فیزیک کوانتوم شامل آن بخش از فیزیک مدرن میشود که از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی نمیکنند.
یکی دیگر از تفاوت های یک کامپیوتر کوانتومی یا نوع کلاسیک آن در نوع عملکرد آن هاست؛ کامپیوترهای کلاسیک با استفاده از ترانزیستورها عمل میکنند و این در حالی است که رایانه های کوانتومی با استفاده از قوانین فیزیک کوانتومی به فعالیت خود ادامه خواهند داد. رایانه های کوانتومی میتوانند با استفاده از قابلیت هایی که دارند، محاسباتی را که در کامپیوترهای کلاسیک، چندین سال طول میکشیدند، در عرض چند دقیقه به پایان برسانند.
برای درک تفاوت های کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک، به گوشی موبایل‌تان نگاهی بیندازید؛ قدرت همین گوشی های موبایل در مقایسه با تمام ابر کامپیوترهای ۵۰ سال پیش بیشتر است. بدیهی است که کامپیوترهای کوانتومی به مراتب قدرتمندتر از نوع کلاسیکشان باشند.
اولین کامپیوتر کوانتومی ساخت شرکت آی بی ام
اگر در مورد کامپیوترهای کوانتومی سررشته داشته باشید یا حداقل اطلاعاتی را در مورد آن مطالعه کرده باشید، به خوبی میدانید که پیشرفته ترین رایانه کوانتومی جهان در سال ۲۰۱۱ معرفی شد. سال ۲۰۱۱ یک شرکت کانادایی با اسم Dwave موفق شده بود که با ساختن یک رایانه کوانتومی با ظرفیت ۱۲۸ کیوبیت، گامی بزرگ در این حوزه بردارد. اما پس از ۸ سال از این ماجرا یعنی در سال ۲۰۱۹، شرکت بزرگ و معتبر گوگل مدعی شد که به قدرتمند ترین و پیشرفته ترین رایانه کوانتومی جهان دست یافته است و قصد دارد تا با آن، به همه مسائل حل نشده جهان خاتمه دهد.
ادعای گوگل در مورد رایانه کوانتومی مورد نظرش آنقدر بزرگ بود که بعضی از شرکت های دیگر مثل IBM از آن به عنوان یک ادعای پوچ و مسخره یاد کردند. گوگل ادعا کرده بود که این رایانه کوانتومی میتواند فعالیت‌ها و مسائلی را که ابر کامپیوتر دنیا یعنی Summit قرار است در عرض ۱۰۰۰ سال انجام دهد، در عرض ۳ دقیقه به پایان برساند.
مطمئناً با استفاده از رایانه های کوانتومی میتوان تحول های بزرگی را در سطح کره خاکی به وجود آورد، اما ادعای گوگل در این باره نیازمند راستی آزمایی های بیشتری است. با این اوصاف، اگر ادعای گوگل در این مورد واقعیت داشته باشد، میتوان به این مسئله فکر کرد که با استفاده از این کامپیوتر کوانتومی میتوان چه کارهایی را انجام داد. بسیاری از افراد دائماً مسئله رایانه های کوانتومی را به ارزهای دیجیتال ربط میدهند؛ اما چرا؟
ارتباط رایانش کوانتومی با شبکه بلاکچین
برای بررسی این موضوع بسیار مهم و اساسی لازم است که ابتدا بدانید، یک شبکه بلاکچین با چه ساز و کاری فعالیت میکند که احتمال تهدید آن توسط یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد. به طور کلی شبکه های بلاک چین با استفاده از توابعی فعالیت میکنند که تابع قوانین ریاضی و عملگر های یک طرفه (هش) هستند. به عبارت ساده‌تر، توابع ریاضی مورد استفاده برای امنیت بلاک چین‌ها که به صورت مشخص برای ایجاد امضا های دیجیتالی و همچنین انجام دادن تراکنش‌ها و معاملات استفاده میشوند، علی رغم پیچیده بودن، دارای نقاط ضعف هم هستند. یکی از نقاط ضعف این توابع ریاضی پیچیده، این است که نمیتوان در مورد مقاومت و امنیت آنها در مقابل یک کامپیوتر کوانتومی، مطمئن بود.
در حال حاضر هیچ کامپیوتر دیجیتالی و قدرتمندی نمیتواند از پس این توابع ریاضی بسیار پیچیده در شبه‌های بلاک چین بربیاید. اما همان طور که اشاره کردیم، تمامی مسائل حل نشدنی و سخت برای یک رایانه کوانتومی، در عرض چند دقیقه قابل حل خواهند بود. با این اوصاف بسیاری از کارشناسان و صاحب نظران حوزه کریپتوکارنسی بر این باور هستند که با ظهور کامپیوترهای کوانتومی امکان بروز اتفاقات خطرناکی مثل حمله ۵۱ %، حمله خرج کردن مضاعف و خدشه دار شدن امنیت شبکه بلاک چین وجود خواهد داشت یا خیر.
کلیدهای عمومی و خصوصی در رمزنگاری بلاک چین
الگوریتم رمزنگاری کلید عمومی که از آن همواره با عنوان رمزنگاری غیر متقارن یا PKC هم یاد میشود، یکی از پایه‌های اصلی دنیای کریپتوکارنسی و ارزهای دیجیتال است. در ساز و کار رمزنگاری متقارن، همواره از یک کلید یک طرفه برای تأمین امنیت شبکه و همچنین عملیات رمزنگاری و رمزگشایی استفاده میشود؛ این در حالی است که رمزنگاری غیر متقارن، با برخورداری از دو کلید که شامل کلیدهای خصوصی و عمومی هستند، عملیات رمز گذاری و رمزگشایی را انجام میدهند. با استفاده از فرایند رمزنگاری غیر متقارن میتوان کلید عمومی را در اختیار دیگر کاربران قرار دهیم و با قابلیت های آن، عملیات رمزگشایی و رمز گذاری اطلاعات را فراهم کنیم.
مهم ترین دلیلی که برای امن بودن الگوریتم PKC وجود دارد، طراحی دو کلید عمومی و خصوصی به نحوی است که امکان محاسبه کردن کلید خصوصی از روی ساختار کلید عمومی بسیار دشوار خواهد بود. این فرایند به شکلی طراحی شده است که بتوان با استفاده از کلید خصوصی، کلید عمومی را محاسبه کرد. با این اوصاف، کاربر یا شبکه‌ای که به کلید خصوصی دسترسی دارد و تراکنش به او مربوط میشود، میتواند به کلید عمومی دسترسی داشته باشد و افرادی که کلید عمومی را دارند، نمیتوانند وارد اطلاعاتی شوند که تنها با وجود کلید خصوصی در دسترس خواهند بود.
اگر توضیحاتی که در مورد این بخش ارائه کردیم، کمی پیچیده و گُنگ هستند، بهتر است که با بررسی یک مثال کاملاً ملموس به آنها بپردازیم.
برای درک بهتر الگوریتم PKC کافی است که یک فُرم ریاضی بسیار ساده را مورد بررسی قرار دهیم. برای مثال شما به خوبی میدانید که جمع دو عدد یک و ۹۹۹ برابر با ۱۰۰۰ است؛ اما آیا این تنها فرم موجود برای رسیدن به عدد ۱۰۰۰ است؟ چند احتمال و فرم دیگر برای اعداد وجود دارد که با هم جمع شوند و به عدد ۱۰۰۰ برسند؟ مطمئناً حالت‌های بسیار زیادی وجود دارند که بتوان برای این مثال مورد بررسی قرار داد. به این قانون در ریاضیات، تابع دریچه یا Trapdoor Function گفته میشود.
تهدید کامپیوتر کوانتومی برای امنیت رمزنگاری شبکه های بلاک چین
نکته بسیار مهمی که در مورد قانون تابع دریچه یا همان Trapdoor Function وجود دارد، این است که یک تابع ریاضی همان قدر که میتواند آسان باشد، قابلیت سخت شدن را هم دارد. حالا بیایید، این تابع ریاضی را برای توابع ریاضی و پیچیده‌ای که برای رمزنگاری و رمزگشایی الگوریتم های بلاک چین وجود دارند، مورد بررسی قرار دهیم. بدیهی است که با توجه به آنچه که گفتیم، توابع ریاضی رمزنگاری در شبکه های بلاک چین، همان قدر که سخت هستند، همان قدر هم آسان خواهند بود؛ اما این آسانی با کدام یک از سیستم های کامپیوتری امکان پذیر خواهند بود؟ اگر به یاد داشته باشید، ما به این نکته اشاره کردیم که حتی ابرکامپیوترهای موجود در جهان هم نمیتوانند در مدت زمان کمی، امنیت شبکه های بلاک چین را دچار خدشه کنند.
مسئله مهمی که هم اکنون وجود دارد، مسئله تهدید رایانه کوانتومی برای توابع دریچه‌ای است. یک کامپیوتر کوانتومی قابلیت حل کردن تمامی مسائل سخت و پیچیده را دارد و با ظهور انواع آنها، احتمالاً باید به فکر تغییرات بنیادین در سیستم امنیت بلاک چین‌ها بود. با توجه به این که الگوریتم های دو کلیدی در شبکه های بلاک چین نمیتوانند، مقاومتی در برابر عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی داشته باشند، چه رویکردی را باید در پیش گرفت؟
نابودی شبکه بلاک چین با کامپیوتر کوانتومی
پاسخ های بسیار متعدد و متفاوتی در مورد پرسش‌هایی که در مورد امکان نابودی بلاک چین‌ها توسط رایانه های کوانتومی وجود دارند، ارائه شده‌اند. برای مثال، به جهت این که بتوانیم از پاسخ های مستند و قابل تکیه برای بررسی این موضوع استفاده کنیم، ازمقاله‌ای با عنوان Will Quantum Computing Destroy Bitcoin از رسانه Devteam.com استفاده میکنیم تا با استفاده از مطالب مستند آن، به این موضوع بپردازیم. در یکی از بخش های این مقاله در مورد فعالیت های قابل توجه یکی از تیم‌ها در مورد تهدیدات کامپیوتر کوانتومی برای دنیای کریپتوکارنسی و شبکه های بلاک چین پرداخته شده است.
راه حل ارائه شده توسط تیم مقاومت کوانتومی
در قسمتی از مقاله‌ای که در بخش قبلی اشاره کردیم، از یک تیم با عنوان (تیم مقاومت کوانتومی -The Quantum Resistance Ledger) یاد شده است که قصد دارند، تهدیدات بالقوه رایانه های کوانتومی را مورد کاوش قرار دهند. این تیم که با نام اختصاری QRL شناخته میشوند، از مجموعه‌ای از الگوریتم های رمزگذاری شده استفاده کرده‌اند تا بتوانند، مقاومت آن را در برابر تهدیدهای یک کامپیوتر کوانتومی بررسی کنند. در این راستی آزمایی که به آن (طرح امضای توسعه یافته یا XMSS) گفته میشود، از یک نوع امضای دیجیتالی یا عنوان OTS استفاده میشود که با استفاده از آن میتوان با استفاده از یک کلید، تراکنش های کریپتوکارنسی را امضا کرد.
با وجود یک کلید برای امضا کردن تراکنش های ارزهای دیجیتال، دیگر هیچ راهی برای تهدیدهای امنیتی کامپیوتر کوانتومی وجود نخواهد داشت؛ چرا که هر بار و با به وجود آمدن تراکنشی جدید، امضا تغییر میکند و کاربر با استفاده از امضای دیجیتالی جدید میتواند تراکنش خود را در امن ترین حالت ممکن انجام دهد. تیم QRL که هم اکنون روی این پروژه در حال کار کردن است، ادعا میکند که این الگوریتم، کاملاً بررسی شده است و آنها قصد دارند که از این راه حل به عنوان کار آمدترین روش برای کنترل و دفع خطر رایانه کوانتومی برای امنیت شبکه بلاک چین استفاده کنند.
آینده کریپتوکارنسی با وجود قدرت محاسباتی رایانه های کوانتومی
در ماه مه سال ۲۰۱۷، تیمی از محققان مرکز کوانتومی روسیه، شبکه بلاک چینی را توسعه دادند که به ادعای آنها دارای مقاومت کافی در برابر تهدیدات رایانه های کوانتومی بود. روشی که آنها برای تأمین امنیت شبکه بلاک چین خود در نظر گرفته بودند، «ترکیب رمزنگاری پساکوانتومی» یا (توزیع کلید کوانتومی (QKD)) نام داشت. در روش QKD، کلیدهای رمزنگاری شبکه بلاک چین با استفاده از پرتوهای لیزری منتقل میکند و برای موفقیت آمیز بودن این فرایند، از خواص کوانتومی فوتون‌ها استفاده میشود.
فوتون های دارای ویژگی های کوانتومی ویژه‌ای هستند که به صورت ۰ و ۱ کد گذاری شده‌اند.
محققان روسی با استفاده از روش QKD توانسته‌اند، تهدیدات ناشی از یک کامپیوتر کوانتومی را با استفاده از حرکت جالب رفع کنند. زمانی که یک رایانه کوانتومی سعی میکند، کلیدهای مربوط به تراکنش را هک یا رهگیری کند، عمل جاسوسی و خرابکارانه آن باعث ایجاد تغییراتی در ویژگی های کلید کوانتومی QKD میشود و آن کلیدها غیرقابل استفاده خواهند شد. در حال حاضر قرار است که بیشتر روی این پروژه کار شود؛ شما میتوانید برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این موضوع، مقاله‌ای با عنوان Russian researchers develop quantum-safe blockchain را مطالعه کنید.
تهدیدات کامپیوتر کوانتومی نباید دست کم گرفته شوند
واضح است که تا انتشار عمومی و ظهور کامل رایانه های کوانتومی، سال‌ها فاصله است و تا نسخه های تجاری آنها وارد بازار شوند، طول میکشد. از طرفی، شبکه بلاک چین و الگوریتم‌های رمزنگاری شده باید تا حد امکان آپدیت شوند. بدیهی است که شبکه های بلاک چین در حال حاضر کاملاً ایمن و مقاوم هستند و میتوان روی امنیت تراکنش های آنها حساب ویژه‌ای باز کرد؛ اما نباید فراموش کرد که یک کامپیوتر کوانتومی همواره به عنوان یک تهدید برای دنیای کریپتوکارنسی به شمار میرود. با این اوصاف، دنیای شبکه های بلاک چین نباید تهدیدات کامپیوتر کوانتومی را دست کم بگیرد و باید برای یک جنگ تمام عیار آماده شود.
نکته مهمی که در این میان وجود دارد، همسو بودن منافع بسیاری از کسب و کارها و همچنین مراکز دولتی با از بین رفتن شبکه های بلاک چین است. اگر در مورد شبکه های بلاک چین، اطلاعات کافی داشته باشید، حتماً به خوبی میدانید که این شبکه‌ها به دلیل امنیتی که برای تراکنش‌ها به وجود میاورند، از بروز هرگونه هک و رهگیری تراکنش‌ها جلوگیری خواهند کرد؛ از این رو، بسیاری از مراکز امنیتی با وجود چنین شبکه‌هایی مخالف هستند و چه بسا که در زمان ظهور رایانه های کوانتومی، به آنها برای خدشه دار کردن امنیت بلاک چین کمک کنند؛ بنابراین و با در نظر گرفتن همه این اوصاف و اتفاقات، شبکه های بلاک چین باید در مقابل تهدیدات کامپیوترهای کوانتومی مجهز شوند و آنها را به هیچ عنوان دست کم نگیرند.
