بخش بزرگی از امنیت اینترنت به سامانه رمزگذاری دیجیتالی موسوم به RSA وابسته است. این فناوری از حریم خصوصی کاربران هنگام گشت‌وگذار در شبکه‌های اجتماعی، دریافت به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری و انجام تراکنش‌های بانکی محافظت می‌کند. استاندارد رمزگذاری RSA-2048 ساختار ساده‌ای برای تولید دارد، اما شکستن آن بسیار دشوار به نظر می‌رسد. این روش با ضرب دو
بخش بزرگی از امنیت اینترنت به سامانه رمزگذاری دیجیتالی موسوم به RSA وابسته است. این فناوری از حریم خصوصی کاربران هنگام گشت‌وگذار در شبکه‌های اجتماعی، دریافت به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری و انجام تراکنش‌های بانکی محافظت می‌کند.
استاندارد رمزگذاری RSA-2048 ساختار ساده‌ای برای تولید دارد، اما شکستن آن بسیار دشوار به نظر می‌رسد. این روش با ضرب دو عدد اول بسیار بزرگ، عددی حاصل می‌کند که می‌تواند تا ۶۱۷ رقم اعشاری داشته باشد. این عدد مانند یک قفل دیجیتالی عمل می‌کند که دیگران می‌توانند آن را مشاهده کنند، اما باز کردنش به کلید خصوصی نیاز دارد. این کلید از طریق تجزیه عدد حاصل به دو عدد اول اولیه به دست می‌آید.
با وجود این، پژوهش جدید نشان می‌دهد امنیت اطلاعات و حریم خصوصی کاربران ممکن است شکننده‌تر از تصورات قبلی باشد؛ زیرا پیشرفت رایانش کوانتومی می‌تواند در آینده‌ای نزدیک تهدیدی جدی برای این شیوه رمزگذاری ایجاد کند.
در مطالعه‌ای تازه، گروهی از پژوهشگران شرکت رایانش کوانتومی آلیس اند باب در پاریس، برآوردی جامع از منابع موردنیاز برای اجرای الگوریتم شور ارائه کرده‌اند. آن‌ها در این بررسی از کیوبیت‌های ابررسانای موسوم به کیوبیت گربه‌ای استفاده کردند.
به زبان ساده، الگوریتم شور روشی در رایانش کوانتومی محسوب می‌شود که پیتر شور، ریاضی‌دان، در سال ۱۹۹۴ طراحی کرد. هدف این الگوریتم افزایش نمایی سرعت تجزیه اعداد بزرگ به عوامل اول و در نتیجه شکستن رمزگذاری‌های مبتنی بر این مسئله ریاضی است.
کیوبیت‌های گربه‌ای چگونه امنیت رمزگذاری را تهدید می‌کنند؟
کیوبیت‌های گربه‌ای جایگزینی متفاوت و جالب برای کیوبیت‌های ترانسمون به شمار می‌روند؛ نوعی از کیوبیت که در بسیاری از رایانه‌های کوانتومی امروزی کاربرد دارد.
نام کیوبیت گربه‌ای از آزمایش فکری گربه شرودینگر گرفته شده است. این ساختار از فوتون‌هایی تشکیل می‌شود که درون محفظه فلزی بسیار کوچکی به نام نوسان‌ساز به دام افتاده‌اند.
ماهیت موج‌مانند این کیوبیت‌ها باعث می‌شود بتوانند یکی از دو نوع اصلی خطای کوانتومی، یعنی خطای وارونگی بیت، را به‌صورت نمایی کاهش دهند؛ در حالی که نوع دیگر خطا، موسوم به وارونگی فاز، تنها به‌صورت خطی افزایش پیدا می‌کند.
برای درک بهتر خطای وارونگی بیت، می‌توان کلید برق را تصور کرد که بر اثر تداخل الکتریکی محیط، بدون دخالت انسان از وضعیت روشن با مقدار ۱ به وضعیت خاموش با مقدار صفر تغییر می‌کند. در چنین شرایطی، اطلاعات ذخیره‌شده در سامانه کوانتومی دچار اختلال خواهند شد.
خطای وارونگی فاز وضعیت متفاوتی دارد. در این حالت، می‌توان تصور کرد که کل مجموعه کلید برق به‌صورت وارونه تغییر جهت داده باشد، اما خود کلید همچنان در همان وضعیت روشن یا خاموش باقی بماند.
بر اساس توضیحات پژوهشگران، برآورد منابع موردنیاز برای اجرای الگوریتم شور در سال‌های اخیر به‌طور مداوم کاهش یافته است. کریگ گیدنی از گوگل کوانتوم ای‌آی و همکارانش در وبلاگ خود اشاره کرده‌اند که برآورد تعداد کیوبیت‌های موردنیاز از ۲۰ میلیون واحد در سال ۲۰۱۹ به کمتر از یک میلیون واحد در سال ۲۰۲۵ رسیده است.
برآوردهای شرکت آلیس اند باب نیز از سال ۲۰۲۳ کاهش چشمگیری داشته‌اند. این شرکت در آن زمان به حدود ۳۵۰ هزار کیوبیت نیاز داشت، اما در محاسبات جدید خود این رقم را به کمتر از ۲۳ هزار کیوبیت رسانده است.
این مقدار تقریباً ۴۰ برابر کمتر از برآورد یک میلیون کیوبیتی قبلی کریگ گیدنی محسوب می‌شود. البته محاسبات جدید آلیس اند باب بر اساس مشخصات اختصاصی خود، از جمله نرخ خطا و قابلیت‌های اصلاح خطا، انجام گرفته‌اند.
طبق این برآورد، برای تجزیه کلید رمزگذاری RSA-2048 و شکستن قفل دیجیتالی محافظ اطلاعات شخصی و حساب‌های بانکی، سامانه‌ای متشکل از ۲۲ هزار و ۵۹۳ کیوبیت گربه‌ای تنها به ۳.۱۴ روز زمان نیاز خواهد داشت.
پژوهشگران در مطلب وبلاگ خود گفتند:
تا جایی که اطلاع داریم، هیچ معماری منتشرشده‌ای وجود ندارد که بتواند در چنین مدت‌زمانی با تعداد کیوبیت کمتری به این نتیجه برسد. این دستاورد ما را در مرز پیشرفت هم‌زمان از نظر ابعاد و سرعت قرار می‌دهد.
رایانه‌های کوانتومی چه زمانی می‌توانند رمزگذاری اینترنت را بشکنند؟
این رویکرد متعادل، نقطه مناسبی میان نیازهای سخت‌افزاری و زمان اجرای محاسبات ایجاد می‌کند.
تعداد کیوبیت‌ها ابعاد دستگاه رایانش کوانتومی و تجهیزات موردنیاز آن را تعیین می‌کند. یکی از مهم‌ترین این تجهیزات، سامانه‌های سرمایشی بسیار قدرتمندی هستند که باید تراشه‌های کوانتومی را تا دمایی نزدیک به صفر مطلق خنک نگه دارند؛ دمایی که حتی از فضای بیرونی نیز سردتر خواهد بود.
عامل مهم دیگر، مدت‌زمان اجرای محاسبات است؛ یعنی زمانی که دستگاه برای تولید نتیجه‌ای کاربردی به آن نیاز دارد.
پژوهشگران در توضیح این مسئله نوشتند:
می‌توان میان تعداد کیوبیت‌ها و زمان اجرا تعادل برقرار کرد، اما اگر در هر یک از این دو زمینه بیش از حد پیش برویم، در نهایت به دستگاهی می‌رسیم که ساخت آن بیش از اندازه دشوار یا بزرگ خواهد بود، یا آن‌قدر کند عمل می‌کند که دیگر اهمیت عملی نخواهد داشت.
پژوهشگران همچنین بررسی کردند که چگونه می‌توان با اتصال چند رایانه کوانتومی، فرایند شکستن رمزگذاری را سریع‌تر کرد. طبق محاسبات آن‌ها، اتصال ۱۰ دستگاه رایانش کوانتومی با مجموع ۶۱۰ هزار و ۵۳۰ کیوبیت گربه‌ای می‌تواند رمزگذاری RSA-2048 را تنها در یک ساعت و ۱۵ دقیقه بشکند.
این گروه همچنین منابع موردنیاز برای دور زدن سامانه رمزنگاری مبتنی بر منحنی بیضوی را بررسی کردند؛ همان فناوری که برای محافظت از مالکیت بیت‌کوین به کار می‌رود. بر اساس برآوردها، سامانه‌ای با ۲۹ هزار و ۵۸۸ کیوبیت گربه‌ای می‌تواند این نوع رمزگذاری را در ۶۱.۸ دقیقه بشکند.
با این حال، تراکنش‌های بیت‌کوین در بازه‌های زمانی ۱۰ دقیقه‌ای و در قالب بلوک‌های جدید ثبت می‌شوند. پژوهشگران تأکید کردند که برای سرقت این ارز دیجیتال هنگام انتقال، مهاجم باید بتواند عملیات شکستن رمزگذاری را پیش از پایان همین مهلت انجام دهد.
بنابراین، هکرهایی که قصد دارند ماجرای مشهور روز پیتزای بیت‌کوین را تکرار کنند، فعلاً نمی‌توانند روی چنین روشی حساب باز کنند.
موانع ساخت رایانه‌های کوانتومی قدرتمند
نکته مهم اینجاست که در حال حاضر هیچ رایانه کوانتومی مجهز به ۲۳ هزار کیوبیت در اختیار دانشمندان قرار ندارد و فناوری موجود هنوز فاصله زیادی با چنین دستاوردی دارد.
بزرگ‌ترین آرایه کیوبیتی معرفی‌شده در این زمینه را مهندسان مؤسسه فناوری کالیفرنیا ساخته‌اند که شامل ۶۱۰۰ کیوبیت به دام افتاده با استفاده از لیزر است. البته این مجموعه صرفاً یک آرایه کیوبیتی محسوب می‌شود و هنوز نمی‌توان آن را یک رایانه کوانتومی کاربردی برای انجام محاسبات پیچیده دانست.
پژوهشگران برای رسیدن به رایانه‌های کوانتومی قدرتمندتر باید چندین چالش اساسی را پشت سر بگذارند. کنترل دقیق دما، افزایش مقیاس‌پذیری و حفظ پایداری سامانه از جمله مهم‌ترین این موانع هستند. اتصال تراشه‌های متعدد به یکدیگر و برقراری ارتباط میان کیوبیت‌هایی که فاصله بیشتری از هم دارند نیز دشواری‌های فنی قابل‌توجهی ایجاد می‌کند.
با وجود این مشکلات، برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند استاندارد RSA-2048 ممکن است در آغاز دهه آینده میلادی به‌تدریج کنار گذاشته شود. از سوی دیگر، محاسبات پژوهشگران بر این فرض استوارند که کیوبیت‌های گربه‌ای می‌توانند به مدت ۱۰۰ سال در برابر خطای وارونگی بیت مقاومت کنند؛ در حالی که پایداری بسیاری از کیوبیت‌های آزمایش‌شده فعلی تنها به چند میلی‌ثانیه می‌رسد.
با این حال، کیوبیت‌های گربه‌ای با افزودن فوتون‌های بیشتر به نوسان‌ساز، از پایداری نمایی بالاتری برخوردار می‌شوند. به بیان ساده، افزایش تعداد فوتون‌ها در محفظه می‌تواند مقاومت این کیوبیت‌ها را در برابر خطا به شکل چشمگیری تقویت کند.
فیزیک‌دانان کوانتومی شرکت آلیس اند باب اخیراً به دستاورد مهمی در این زمینه رسیده‌اند. آن‌ها با قرار دادن ۱۱ فوتون در محفظه کیوبیت گربه‌ای، میانگین زمان مقاومت در برابر خطای وارونگی بیت را به ۴۴ دقیقه رساندند. این پیشرفت پایداری استاندارد را میلیون‌ها برابر افزایش داده است.
طبق نتایج پژوهش، اگر زمان مقاومت در برابر خطای وارونگی بیت به حدود یک ساعت کاهش یابد، تعداد کیوبیت‌های موردنیاز باید دو برابر شود و به حدود ۴۵ هزار واحد برسد.
پژوهشگران در بیانیه مطبوعاتی خود اشاره کرده‌اند که احتمالاً در اوایل دهه ۲۰۳۰، پیشرفت سخت‌افزارهای کوانتومی با کاهش منابع موردنیاز برای اجرای محاسبات پیچیده هم‌زمان خواهد شد.
در نتیجه، ممکن است نخستین رایانه‌های کوانتومی با قابلیت شکستن رمزگذاری‌های قدرتمند طی چند سال آینده ساخته شوند؛ هرچند زمان دقیق تبدیل شدن این فناوری به تهدیدی واقعی برای امنیت دیجیتال همچنان مشخص نیست.
متن کامل این پژوهش به‌صورت پیش‌چاپ در Cryptology ePrint Archive در دسترس قرار گرفته است.