یک حمله جدید به راحتی یک الگوریتم رمزگذ

همانطور که قبلاً گفتیم، باور عمومی بر این است که متخصصان امنیت به زودی به الگوریتم‌های امن‌تری مانند SHA-256 یا SHA-3 روی خواهند آورد. با این نظرات، چه الگوریتم های هش دیگری را برای محافظت از حریم خصوصی کاربران خود در نظر می گیرید؟ نظرات، دیدگاه ها و تجربیات خود را با دیگر کاربران اسکان آکادمی به اشتراک بگذارید.

بسیاری از فناوری‌هایی که امروزه به راحتی نادیده می‌گیریم، مانند ترانزیستورهای تلفن‌های همراه، چراغ قوه‌های LED و دستگاه‌های MRI، همگی وجود خود را مدیون مکانیک کوانتومی هستند. اما یکی دیگر از کاربردهای مکانیک کوانتومی که سایر فناوری‌های کنونی قادر به عملیاتی کردن آن نیستند، محاسبات کوانتومی است که روشی کاملاً متفاوت برای ذخیره و پردازش داده‌ها ارائه می‌دهد.

امروزه رایانه ها اطلاعات را به صورت بیت های یک یا صفر (روشن/خاموش) ذخیره می کنند و محاسبات را با استفاده از اجزای کوچک پردازش داده های الکترونیکی به نام «ترانزیستور» انجام می دهند. از سوی دیگر، کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر کیوبیت (بیت کوانتومی) به لطف پدیده برهم نهی کوانتومی (برهم نهی) می توانند به طور همزمان ترکیبی از یک و صفر را ذخیره کنند و این ترکیب تا زمانی که کیوبیت محاسبه نشود ناشناخته می ماند.

پدیده برهم نهی کوانتومی، که در آن یک سیستم کوانتومی می تواند در چندین حالت یا مکان ممکن در یک زمان وجود داشته باشد، شبیه به پرتاب سکه است. تا زمانی که سکه در هوا می چرخد، تنها چیزی که مسلم است این است که احتمال پرتاب سکه نصف و نیم است. اما به محض اینکه سکه فرود آمد و به آن نگاه کردید، با اطمینان می توانید متوجه شوید که کدام روی سکه قابل مشاهده است. به عبارت دیگر می توان گفت تا زمانی که سکه می چرخد، هم شیر است و هم خط.

این مورد برای محاسبات ریاضی با استفاده از محاسبات کوانتومی نیز صادق است. در یک کامپیوتر کوانتومی، ذرات (الکترون ها یا فوتون ها) با استفاده از لیزرهای با دقت بسیار بالا یا پرتوهای مایکروویو روی هم قرار می گیرند و به طور مداوم در نوسان هستند. وضعیت این ذرات تا زمانی که مقادیر آنها اندازه گیری نشود مشخص نیست. اما اگر تمام حالاتی که این ذرات می توانند داشته باشند شناخته شده باشند، می توان گفت که در همه این حالات ممکن به طور همزمان وجود دارند.

از آنجایی که هر کیوبیت هر دو حالت صفر و یک بیت را ذخیره می کند، با تعداد N کیوبیت، دو برابر حالت ممکن داده های ذخیره شده در بیت را می توان همزمان ذخیره کرد. مقدار بسیار قابل توجهی است. 10 به توان 78 تا 10 به توان 82 اتم قابل مشاهده در جهان هستی وجود دارد و 265 کیوبیت می توانند به طور همزمان به اندازه تمام اتم های جهان داده ذخیره کنند.

کیوبیت ها علاوه بر پدیده برهم نهی، ویژگی مهم دیگری به نام درهم تنیدگی دارند. در این حالت، تغییر رفتار یکی از دو کیوبیت درهم تنیده، بلافاصله رفتار کیوبیت دوم را به صورت کاملاً قابل پیش بینی تغییر می دهد. یک اتفاق بسیار شگفت انگیز در پدیده درهم تنیدگی رخ می دهد و آن تأثیر دو کیوبیت است که در فواصل بسیار طولانی با یکدیگر درهم می مانند.

به عبارت دیگر، حتی اگر ذرات در هم پیچیده چندین کیلومتر از هم فاصله داشته باشند، تغییر حالت یکی همیشه بر دیگری تأثیر می گذارد. در یک کامپیوتر معمولی، دو برابر شدن تعداد بیت ها، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند. اما به لطف پدیده درهم تنیدگی، افزایش تعداد کیوبیت ها در یک دستگاه کوانتومی منجر به افزایش تصاعدی در سرعت پردازش اطلاعات می شود.

پدیده درهم تنیدگی شباهت زیادی به جادو دارد و فیزیکدانان مکانیسم آن را کاملاً درک نمی کنند (حتی انیشتین آن را «رفتار عجیب و مرموز در فاصله» نامیده است!). اما در زمینه محاسبات کوانتومی، این پدیده امکان انتقال اطلاعات از مکانی به مکان دیگر را حتی در صورت عدم قطعیت فراهم می کند. مانند استفاده از یک سکه در حال چرخش برای حل محاسبات پیچیده است. اتصال چند کیوبیت به یکدیگر می‌تواند مشکلاتی را حل کند که حتی سریع‌ترین رایانه‌های غیرکوانتومی میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا حل شوند.

یک تصور غلط در مورد کامپیوترهای کوانتومی

در مورد عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی، تصور مشترکی وجود دارد که چندین کامپیوتر معمولی به طور همزمان روی یک مشکل با هم کار می کنند. این تصور تا حدودی هم درست است و هم نادرست.

وقتی می گوییم یک رایانه کوانتومی مجموعه ای از رایانه های معمولی است که مشغول حل یک مسئله به طور موازی هستند، در واقع به این معنی است که رایانه کوانتومی در برهم نهی همه حالت هایی است که رایانه معمولی می تواند بگیرد. در واقع، اگر N حالت پایه داشته باشیم، برای هر حالت یک N-امین امکان وجود دارد و به جای اینکه کامپیوتر کوانتومی در همه این حالت ها به عنوان یک حالت باشد، به نظر می رسد به N حالت ممکن شکسته شده است.

به عبارت دیگر، اگر شما یک مسئله را در یک کامپیوتر کوانتومی وارد کنید و پاسخ آن را در خروجی قرار دهید، کامپیوتر تمام حالات و پاسخ های ممکن را به شما نشان نمی دهد، بلکه تنها یکی از این پاسخ های ممکن را با احتمال N-امین به طور کاملا تصادفی انتخاب می کند. . و به شما می گوید که چیست.

بنابراین مشاهده همه این حالات و پاسخ ها ممکن نیست و محاسبات کوانتومی تنها یک پاسخ تصادفی را نمایش می دهد. به گفته اسکات آرونسون، دانشمند نظری، اینطور نیست که رایانه های کوانتومی برای حل مسائل بسیار دشوار و پیچیده، همه راه حل های ممکن را همزمان و در لحظه بررسی کنند تا به پاسخ صحیح برسند. برای کامپیوتر کوانتومی به طور کلی هیچ تفاوتی بین پاسخ درست و غلط وجود ندارد و پس از اتمام محاسبات فقط یک پاسخ را نمایش می دهد و آن هم کاملا تصادفی است.

سپس، در بخش نحوه عملکرد الگوریتم Shore، خواهیم دید که چگونه محققان از یک الگوریتم برای اعمال “برهم قرار دادن مخرب” برای خنثی کردن همه حالت های نادرست و تقویت پاسخ صحیح با استفاده از “لایه بندی سازنده” استفاده می کنند تا این انتخاب کوانتومی باشد. محاسبه.

مسائل امنیتی محاسبات کوانتومی

سال‌ها قبل از اینکه سرگی برین و لری پیج با توسعه موتور جستجوی گوگل به شکل‌گیری اینترنت امروزی کمک کنند، پیتر شور، پروفسور آمریکایی ریاضیات کاربردی در MIT، مقاله‌ای الگوریتمی منتشر کرد که می‌تواند تمام رمزگذاری‌های ارتباطات را در آینده باز کند.

شور یک هکر با اهداف مخرب نبود، بلکه ریاضیدانی بود که مانند دیگر ریاضیدانانی مانند خودش، به دنبال حل مسائل دشوار ریاضی در مرکز آزمون آزمایشگاه بل بود. الگوریتم او که به الگوریتم شور معروف است به نوعی فناوری نیاز داشت که در زمان انتشار مقاله در سال 1994 به سختی تئوری بود و سالها طول کشید تا به مرحله عملیاتی برسد.