Kvantu datori un kriptovalūtas

Kopienas raksts – autors: Džons Ma

Ievads

Kvantu datori ir jaudīgas iekārtas, kas var atrisināt sarežģītus vienādojumus daudz ātrāk par parastiem datoriem. Daži eksperti lēš, ka tie varētu dažu minūšu laikā uzlauzt šifru, kuru mūsdienu ātrākie datori šķetinātu tūkstošiem gadu. Tas varētu apdraudēt mūsdienu digitālās drošības infrastruktūru – tostarp kriptogrāfiju, kas ir Bitcoin un citu kriptovalūtu pamatā.

Šajā rakstā ir sniegta ievadinformācija par to, kā kvantu datori atšķiras no parastiem datoriem un kā tie apdraud kriptovalūtas un digitālo infrastruktūru.

Asimetriskā kriptogrāfija un interneta drošība

Asimetriskajai kriptogrāfijai (jeb publiskās atslēgas kriptogrāfijai) ir izšķirīga nozīme kriptovalūtu ekosistēmā un lielākajā daļā interneta infrastruktūras. Tā informācijas šifrēšanai un atšifrēšanai izmanto atslēgu pāri, proti, publisko atslēgu šifrēšanai un privāto atslēgu atšifrēšanai. Turpretī simetriskās atslēgas kriptogrāfija datu šifrēšanai un atšifrēšanai izmanto tikai vienu atslēgu.

Publisko atslēgu var brīvi nodot citām personām un izmantot informācijas šifrēšanai, bet atšifrēšanai tiek izmantota atbilstoša privātā atslēga. Tādējādi tiek nodrošināts, ka šifrētajai informācijai var piekļūt tikai konkrētais adresāts.

Viena no asimetriskās kriptogrāfijas galvenajām priekšrocībām ir iespēja apmainīties ar informāciju, neizpaužot neuzticamā kanālā kopīgu atslēgu. Bez šīs izšķirošās iespējas internetā nebūtu iespējama informācijas pamata drošība. Ir grūti iztēloties, piemēram, internetbanku, kurā nevar droši šifrēt informāciju starp personām, kas viena otrai īsti neuzticas.

Ja vēlies lasīt vairāk par šo tēmu, ieskaties rakstā Simetriskā un asimetriskā šifrēšana.

Asimetriskās kriptogrāfijas gadījumā drošība lielā mērā ir balstīta pieņēmumā, ka algoritms, kas ģenerē atslēgu pāri, ievērojami apgrūtina iespēju aprēķināt privāto atslēgu no publiskās atslēgas datiem, tomēr var visai vienkārši aprēķināt publisko atslēgu, ja ir zināma privātā atslēga. Matemātiskā to sauc par "vienvirziena" funkciju, jo ir viegli veikt aprēķinus vienā virzienā, bet sarežģīti – pretējā.

Pašlaik vairums moderno algoritmu, kurus izmanto atslēgu pāru ģenerēšanai, ir balstīti zināmās matemātiskās "vienvirziena" funkcijās. Cik zināms, neviens esošais dators nevar pārskatāmā laikā šīs "vienvirziena" funkcijas atrisināt. Šādu aprēķinu veikšana prasītu milzīgu laiku pat jaudīgākajām iekārtām.

Tomēr līdz ar jaunu skaitļošanas sistēmu – kvantu datoru – parādīšanos tas drīzumā varētu mainīties. Lai saprastu, kāpēc kvantu datori ir tik jaudīgi, vispirms izpētīsim, kā darbojas parasts dators.

Klasiskie datori

Mūsdienās izmantotos datorus varētu saukt par klasiskajiem datoriem. Tie aprēķinus veic secīgi – vispirms tiek izpildīts viens skaitļošanas uzdevums, un tikai tad var sākt nākamo. Iemesls ir tāds, ka klasiskā datora atmiņai ir jāievēro fizikas likumi, un tai ir iespējami tikai divi stāvokļi – 0 vai 1 (izslēgts vai ieslēgts).

Pastāv dažādas aparatūras un programmatūras metodes, kas ļauj datoriem sadalīt sarežģītus aprēķinus mazākos fragmentos, lai tādējādi nedaudz palielinātu efektivitāti. Tomēr būtība no tā nemainās. Vispirms ir jāpabeidz iepriekšējais skaitļošanas uzdevums, un tikai tad var sākt nākamo.

Apskatīsim piemēru, kurā datoram ir jāuzmin 4 bitu atslēga. Katrs no šiem 4 bitiem var būt 0 vai 1. Tabulā ir attēlotas 16 iespējamās kombinācijas:

Klasiskā datora mēģinājums uzminēt 4 bitu atslēgu, analizējot 16 iespējamās kombinācijas

Klasiskajam datoram ir pa vienai jāizmēģina katra atsevišķā kombinācija. Iztēlojies slēdzeni un atslēgu saišķi ar 16 atslēgām. Katra no šīm 16 atslēgām ir jāizmēģina atsevišķi. Ja ar pirmo atslēgu neizdodas atvērt slēdzeni, var mēģināt nākamo, tad nākamo un tā tālāk, līdz tiek atrasta atslēga, ar kuru var atvērt slēdzeni.

Tomēr lielākiem atslēgu saišķiem iespējamo kombināciju skaits būtiski palielinās. Apskatītajā piemērā, pievienojot papildu bitu un palielinot atslēgas garumu līdz 5 bitiem, tiktu iegūtas 32 iespējamās kombinācijas. Palielinot to līdz 6 bitiem, būtu iespējamas jau 64 dažādas kombinācijas. Pie 256 bitiem iespējamo kombināciju skaits jau pietuvotos atomu aptuvenajam skaitam visumā.

Turpretī skaitļošanas apstrādes ātrums palielinās tikai lineāri. Divkāršojot datora datu apstrādes ātrumu, noteiktajā laika periodā var veikt tikai divas reizes vairāk minējumu. Eksponenciālais palielinājums ievērojami pārspēj jebkuru lineāro progresu minēšanā.

Aplēses liecina, ka būtu nepieciešami vairāki tūkstoši gadu, lai klasiskā skaitļošanas sistēma atminētu 55 bitu atslēgu. Kontekstam – minimālais ieteicamais mnemoniskās frāzes garums Bitcoin gadījumā ir 128 biti, un daudzos makos tiek izmantotas 256 bitu frāzes.

Tāpēc šķiet, ka klasiskās skaitļošanas sistēmas nerada draudus asimetriskajai šifrēšanai, kuru izmanto kriptovalūtām un interneta infrastruktūrā.

Kvantu datori

Šobrīd agrīnā izstrādes procesā ir datori, kuriem šādu veidu uzdevumi nesagādātu nekādas problēmas – tie ir kvantu datori. Kvantu datori izmanto kvantu mehānikas teorijā aprakstītos pamatprincipus, kas attiecas uz elementārdaļiņu uzvedību.

Klasiskie datori informācijas atspoguļošanai izmanto bitus, un to stāvoklis var būt 0 vai 1. Kvantu datori izmanto kvantu bitus jeb kubitus. Kubits ir informācijas pamatvienība kvantu datorā. Līdzīgi bitam, arī kubita stāvoklis var būt 0 vai 1. Tomēr kvantu mehānikas fenomenu īpatnību dēļ kubita stāvoklis var būt arī 0 un 1 vienlaikus.

Tas ir veicinājis pētniecību un izstrādi kvantu skaitļošanas jomā, un gan universitātes, gan privātie uzņēmumi iegulda laiku un naudu šīs aizraujošās jaunās jomas izpētē. Cilvēku tehnoloģisko sasniegumu centrā ir mēģinājumi apgūt šo abstrakto teoriju un atrisināt ar šo jomu saistītās praktiskās inženiertehniskās problēmas.

Diemžēl kvantu datoriem ir arī trūkums – tie varētu pavisam vienkārši atrisināt algoritmus, kas ir asimetriskās kriptogrāfijas pamatā, līdz ar to tiktu sagrautas sistēmas, kas to izmanto.

Apskatīsim vēlreiz piemēru ar 4 bitu atslēgas uzlaušanas mēģinājumu. Četru kubitu dators teorētiski varētu vienlaikus aptvert visus 16 iespējamos stāvokļus (kombinācijas), veicot vienu skaitļošanas uzdevumu. Iespējamība, ka šī skaitļošanas uzdevuma izpildes laikā tiks atrasta pareizā atslēga, būtu vienāda ar 100 %.

kvantu datora mēģinājums uzminēt 4 bitu atslēgu, analizējot 16 iespējamās kombinācijas.

Kvantu noturīgā kriptogrāfija

Kvantu skaitļošanas tehnoloģiju rašanās varētu apdraudēt kriptogrāfiju, kas tiek izmantota lielākajā daļā modernās digitālās infrastruktūras, tostarp arī kriptovalūtu jomā.

Tas radītu apdraudējumu drošībai, operācijām un komunikācijām visā pasaulē – no valdībām un starptautiskām korporācijām līdz individuāliem lietotājiem. Tāpēc nepārsteidz apjomīgie resursi, kas tiek novirzīti šīs tehnoloģijas pretpasākumu apzināšanā un izstrādē. Kriptogrāfiskos algoritmus, kas tiek uzskatīti par drošiem pret kvantu datoru radīto apdraudējumu, sauc par kvantu noturīgiem algoritmiem.

Pamatlīmenī šķiet, ka ar kvantu datoriem saistīto risku būtu iespējams ierobežot, izmantojot simetriskās atslēgas kriptogrāfiju un vienkārši palielinot atslēgas garumu. Šo kriptogrāfijas jomu izkonkurēja asimetriskās atslēgas kriptogrāfija, jo problēmas radīja nepieciešamība izpaust atvērtā kanālā kopīgu slepeno atslēgu. Tomēr šis risinājums varētu atkal kļūt aktuāls līdz ar kvantu skaitļošanas sistēmu izstrādi.

Kopīgas atslēgas drošas izpaušanas atvērtā kanālā problēma varētu pati par sevi atrisināties kvantu kriptogrāfijas gadījumā. Tiek aktīvi izstrādāti risinājumi noklaušīšanās novēršanai. Noklausīšanās kopīgā kanālā tiktu konstatēta, izmantojot tos pašus principus, ko izmanto kvantu datoru izstrādē. Būtu iespējams pateikt, vai kopīgoto simetrisko atslēgu iepriekš ir nolasījusi vai mainījusi kāda trešā persona.

Tiek veikti arī citi pētījumi ar mērķi novērst iespējamos kvantu uzbrukumus. Tie ietver tādas pamata metodes kā jaukšana, lai izveidotu lielapjoma ziņojumus, vai citus paņēmienus, piemēram, koordinātu tīklā balstītu kriptogrāfiju. Visu šo pētījumu mērķis ir radīt tādas šifrēšanas metodes, kuras kvantu datori nevarētu tik viegli uzlauzt.

Kvantu datori un Bitcoin ieguve

Arī Bitcoin ieguvē tiek izmantota kriptogrāfija. Ieguvēji sacenšas, risinot kriptogrāfisku uzdevumu apmaiņā pret bloka atlīdzību. Ja kādam ieguvējam būtu pieejams kvantu dators, viņš varētu gūt pārsvaru pār visu tīklu. Tas samazinātu tīkla decentralizāciju un radītu 51 % uzbrukuma risku.

Tomēr, kā apgalvo eksperti, tas nav tūlītējs drauds. Specifiska lietojuma integrētā shēma (ASIC) var samazināt šāda uzbrukuma ietekmi – vismaz pārredzamā nākotnē. Turklāt, ja vairākiem ieguvējiem būtu pieejami kvantu datori, šāda uzbrukuma iespējamība ievērojami samazinātos.

Noslēgumā

Kvantu skaitļošanas sistēmu izstrāde un no tās izrietošais apdraudējums pašreizējiem asimetriskās šifrēšanas risinājumiem, visticamāk, ir tikai laika jautājums. Tomēr šī problēma neradīsies acumirklī – lai tā pilnībā materializētos, ir jāpārvar milzīgi teorētiskie un inženiertehniskie šķēršļi.

Ņemot vērā informācijas drošības ārkārtīgi lielo nozīmi, ir vērts sākt meklēt risinājumus šai nākotnes uzbrukumu problēmai. Par laimi, tiek veikta plaša izpēte, lai rastu risinājumus, ko varētu ieviest esošajās sistēmās. Šie risinājumi teorētiski varētu pasargāt mūsu kritiski svarīgo infrastruktūru pret kvantu datoru radīto apdraudējumu.

Kvantu noturīgie standarti varētu kļūt pieejami plašākai sabiedrībai līdzīgā veidā, kā tika ieviesta pilnīga šifrēšana – izmantojot labi zināmas pārlūkprogrammas un zinojumapmaiņas lietotnes. Pēc šo standartu izstrādes kriptovalūtu ekosistēma varētu samērā viegli ieviest spēcīgāko iespējamo aizsardzību pret šādu veidu uzbrukumiem.