چگونه رقابت برای رمزنگاری پسا-کوانتومی قوانین رمزگذاری جهانی را بازنویسی می‌کند

صنعت امنیت سایبری با سناریوهای روز قیامت رونق می‌گیرد، و «روز کیو» (Q-Day) – لحظه فرضی که یک رایانه کوانتومی رمزگذاری مدرن را می‌شکند – محبوب‌ترین سناریوی کنونی است. مواد تبلیغاتی فروشندگان امنیتی تصویری از یک فروپاشی ناگهانی دیجیتال را ترسیم می‌کنند که در آن سوابق بانکی، اسرار دولتی و ارتباطات امن فوراً برای هر کسی که پردازنده کوانتومی دارد، فاش می‌شود. این وضعیت به عنوان یک «سال ۲۰۰۰ دیجیتال» (Digital Y2K) قاب‌بندی می‌شود، یک پرتگاه که در آن قفل‌های ریاضی محافظ اینترنت به سادگی باز می‌شوند.

اما متخصصان رمزنگاری این تهدید را متفاوت می‌بینند. خطر واقعی یک آخرالزمان ناگهانی و یک‌شبه نیست، بلکه یک آسیب‌پذیری آرام و مداوم است که به عنوان «امروز جمع‌آوری کن، فردا رمزگشایی کن» شناخته می‌شود. برای مقابله با این، یک گذار جهانی عظیم و روشمند در حال انجام است تا زیربنای ریاضی اینترنت بازنویسی شود. این رقابت نه علیه یک ساعت در حال تیک‌تاک، بلکه علیه طول عمر داده‌هایی است که امروز در حال انتقال آن‌ها هستیم.

برای درک راه‌حل، باید قفل را درک کرد. دنیای دیجیتال امروز متکی بر رمزنگاری کلید عمومی است، به ویژه الگوریتم‌هایی مانند RSA و رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC). این سیستم‌ها از ترافیک وب HTTPS و شبکه‌های خصوصی مجازی گرفته تا ارتباطات نظامی و به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری محافظت می‌کنند. آن‌ها زیرساخت نامرئی اعتماد دیجیتال هستند.[1]

این سیستم‌های رمزگذاری کلاسیک با تکیه بر مسائل ریاضی کار می‌کنند که تأیید آن‌ها آسان است اما حل معکوس آن‌ها برای رایانه‌های استاندارد عملاً غیرممکن است. به عنوان مثال، ضرب دو عدد اول بزرگ در یکدیگر ساده است، اما گرفتن حاصل ضرب عظیم و یافتن دو عدد اولی که آن را ایجاد کرده‌اند، از نظر محاسباتی طاقت‌فرسا است. یک ابررایانه استاندارد هزاران سال طول می‌کشد تا یک کلید RSA قوی را بشکند.

با این حال، رایانه‌های کوانتومی بر اساس فیزیک کاملاً متفاوتی عمل می‌کنند. با استفاده از اصول هم‌نهشتی (superposition) و درهم‌تنیدگی (entanglement)، آن‌ها می‌توانند به صورت نظری الگوریتم شور (Shor's algorithm) را اجرا کنند، الگوریتمی کوانتومی که در سال ۱۹۹۴ توسعه یافت. الگوریتم شور زمان لازم برای حل این مسائل ریاضی خاص را به شدت کاهش می‌دهد و یک مسئله با زمان نمایی را به یک مسئله با زمان چندجمله‌ای تبدیل می‌کند. یک رایانه کوانتومی مرتبط با رمزنگاری می‌تواند RSA و ECC را در عرض چند ساعت یا دقیقه در هم بشکند.[2]

در اینجا لنز کنجکاو-شکاک ضروری است: تمایز قائل شدن بین قابلیت‌های کوانتومی فعلی و تهدیدات آینده حیاتی است. رایانه‌های کوانتومی امروز پر سر و صدا، مستعد خطا هستند و به مقیاس مورد نیاز برای شکستن رمزگذاری نزدیک نیستند. آن‌ها با ده‌ها یا صدها کیوبیت فیزیکی کار می‌کنند، در حالی که شکستن RSA به میلیون‌ها کیوبیت تصحیح‌شده خطا نیاز دارد. جدول زمانی برای چنین ماشینی بسیار نامشخص باقی می‌ماند، و اکثر فیزیکدانان به اواخر دهه ۲۰۳۰ یا بعد از آن اشاره می‌کنند.

اگر سخت‌افزار هنوز وجود ندارد، چرا این همه فوریت؟ پاسخ در طول عمر داده‌ها نهفته است. دشمنان در حال حاضر ترافیک رمزگذاری‌شده اینترنت را رهگیری و ذخیره می‌کنند – استراتژی‌ای که به عنوان «امروز جمع‌آوری کن، فردا رمزگشایی کن» شناخته می‌شود. اگر یک راز دولتی، یک قطعه مالکیت فکری، یا یک فایل هویت بیومتریک باید برای بیست و پنج سال امن بماند، امروز در معرض آسیب است. فایل رمزگذاری‌شده در یک سرور نشسته و منتظر است تا سخت‌افزار به آن برسد.[1]

رمزنگاری پسا-کوانتومی (PQC) وارد می‌شود. برخلاف رمزنگاری کوانتومی – که از فیزیک کوانتومی و سخت‌افزار تخصصی برای ایمن‌سازی داده‌ها استفاده می‌کند – رمزنگاری پسا-کوانتومی از ریاضیات کلاسیک بهره می‌برد. این شامل الگوریتم‌های کاملاً جدیدی است که برای اجرا بر روی لپ‌تاپ‌ها و سرورهای استانداردی که امروز استفاده می‌کنیم طراحی شده‌اند، اما از نظر ریاضی در برابر حملات کلاسیک و کوانتومی نفوذناپذیر هستند.[1]

مؤسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) تقریباً یک دهه را صرف رهبری یک رقابت جهانی برای بررسی این الگوریتم‌های جدید کرده است. در آگوست ۲۰۲۴، NIST اولین استانداردهای نهایی‌شده رمزنگاری پسا-کوانتومی خود را منتشر کرد: FIPS ۲۰۳، ۲۰۴، و ۲۰۵. این الگوریتم‌ها تجزیه اعداد اول را کنار گذاشته و به نفع ساختارهای پیچیده‌ای مانند رمزنگاری مبتنی بر شبکه‌ها (lattice-based) عمل می‌کنند، که در آن یافتن راه‌حل شبیه به پیمایش یک شبکه چندبعدی است.[3][4]

فرآیند استانداردسازی به پایان نرسیده است. متخصصان رمزنگاری ذاتاً محتاط هستند، زیرا می‌دانند که یک پیشرفت ریاضی واحد می‌تواند یک استاندارد جدید را به خطر اندازد. برای اطمینان از یک سبد رمزنگاری متنوع، NIST همچنان در حال ارزیابی رویکردهای جایگزین، مانند طرح‌های مبتنی بر هش و مبتنی بر کد است، که به عنوان پشتیبان در صورتی که الگوریتم‌های اصلی مبتنی بر شبکه‌ها در نهایت شکسته شوند، عمل می‌کنند.[3]

با انتشار استانداردها، دولت‌ها از برنامه‌ریزی به سمت دستورالعمل‌ها حرکت می‌کنند. آژانس‌های فدرال و اپراتورهای زیرساخت‌های حیاتی تحت فشار قرار می‌گیرند تا دارایی‌های با ارزش خود را به رمزنگاری پسا-کوانتومی منتقل کنند. این امر یک اثر موجی در زنجیره تأمین ایجاد می‌کند و پیمانکاران، ارائه‌دهندگان ابری و توسعه‌دهندگان نرم‌افزار را مجبور می‌کند تا زیرساخت‌های خود را ارتقا دهند تا با قوانین جدید تدارکات سازگار باقی بمانند.[5]

با این حال، ارتقای رمزگذاری به سادگی دانلود یک وصله نرم‌افزاری نیست. رمزنگاری عمیقاً در سیستم‌های قدیمی، ماژول‌های امنیتی سخت‌افزاری و کارت‌های تأیید هویت تعبیه شده است. انتقال این سیستم‌ها نیازمند یک رویکرد «پشته دوگانه» (dual-stack) است که اجازه می‌دهد کلیدهای کلاسیک و پسا-کوانتومی در طول یک دوره مهاجرت که احتمالاً یک دهه طول می‌کشد، همزیستی داشته باشند.[5]

هدف نهایی این گذار فقط نصب مجموعه‌ای جدید از قفل‌ها نیست، بلکه دستیابی به «چابکی رمزنگاری» است. سازمان‌ها باید سیستم‌هایی بسازند که در آن الگوریتم‌های رمزنگاری را بتوان به راحتی بدون از بین بردن کل زیرساخت، تعویض کرد. رقابت برای رمزنگاری پسا-کوانتومی در نهایت در مورد آماده‌سازی دنیای دیجیتال برای هر پیشرفت ریاضی بعدی است، تا اطمینان حاصل شود که زیربنای اینترنت دیگر هرگز اینقدر شکننده نخواهد بود.[5]