คอมพิวเตอร์ควอนตัมและคริปโทเคอร์เรนซี
คอมพิวเตอร์ควอนตัมและคริปโทเคอร์เรนซี
หน้าหลักบทความ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมและคริปโทเคอร์เรนซี

ระดับกลาง
Published Jan 29, 2020Updated Apr 29, 2021
7m
ส่งจากสมาชิก Community - ผู้แต่ง: John Ma


เกริ่นนำ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเครื่องจักรที่ทรงพลังที่สามารถแก้สมการที่ซับซ้อนได้รวดเร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป ผู้เชี่ยวชาญบางคนคาดว่าสามารถไขการเข้ารหัสที่คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในปัจจุบันจะใช้เวลาหลายพันปีได้ในเวลาเพียงไม่กี่นาที ด้วยเหตุนี้โครงสร้างพื้นฐานด้านความปลอดภัยดิจิทัลส่วนใหญ่ในปัจจุบันอาจตกอยู่ในความเสี่ยง — รวมถึงการเข้ารหัสที่ใช้โดย Bitcoin และคริปโทเคอร์เรนซี

บทความนี้จะให้ข้อมูลเบื้องต้นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปอย่างไรและมีความเสี่ยงอย่างไรต่อคริปโทเคอร์เรนซีและโครงสร้างพื้นฐานดิจิทัล


การเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรและความปลอดภัยทางอินเทอร์เน็ต

การเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรหรือ Asymmetric Cryptography (หรือที่เรียกว่าการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ) เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของคริปโทเคอร์เรนซี ระบบนิเวศและโครงสร้างพื้นฐานอินเทอร์เน็ตส่วนใหญ่ จะอาศัยคู่คีย์ในการเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลนั่นคือคีย์สาธารณะในการเข้ารหัสและคีย์ส่วนตัวในการถอดรหัส ในทางตรงกันข้าม การเข้ารหัสคีย์แบบสมมาตรหรือ Symmetric Key Cryptography จะใช้เพียงคีย์เดียวในการเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูล

เราสามารถแชร์คีย์สาธารณะได้อย่างอิสระและใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลซึ่งจะสามารถถอดรหัสได้โดยคีย์ส่วนตัวที่เกี่ยวข้องเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีเพียงผู้รับที่ต้องการเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงข้อมูลที่เข้ารหัสได้

ข้อดีหลักอย่างหนึ่งของการเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรคือความสามารถในการแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยไม่จำเป็นต้องแชร์คีย์ร่วมในช่องทางที่ไม่น่าเชื่อถือ หากไม่มีคุณสมบัติที่สำคัญนี้ ความปลอดภัยข้อมูลขั้นพื้นฐานคงจะเป็นไปไม่ได้ในอินเทอร์เน็ต ตัวอย่างเช่น คงเป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงการธนาคารออนไลน์หากไม่มีความสามารถในการเข้ารหัสข้อมูลระหว่างบุคคลที่ไม่มีความไว้วางใจกันได้อย่างปลอดภัย
หากคุณต้องการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ โปรดดู การเข้ารหัสแบบสมมาตรเทียบกับแบบไม่สมมาตร
การรักษาความปลอดภัยบางส่วนของการเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรอาศัยสมมติฐานที่ว่าอัลกอริทึมสร้างคู่คีย์ทำให้ยากเหลือเชื่อที่จะคำนวณคีย์ส่วนตัวจากคีย์สาธารณะในขณะที่คำนวณคีย์สาธารณะจากคีย์ส่วนตัวได้ง่าย ในทางคณิตศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่าฟังก์ชันประตูกับดัก (trapdoor function) เนื่องจากง่ายต่อการคำนวณในทิศทางหนึ่งแต่ทำได้ยากในอีกทางที่ตรงกันข้าม 

ปัจจุบันอัลกอริทึมสมัยใหม่ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการสร้างคู่คีย์นั้นจะมีพื้นฐานมาจากฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ประตูกับดักที่รู้จักกันดี ไม่เคยมีรายงานว่าสามารถไขฟังก์ชันประตูกับดักได้ในกรอบเวลาที่จะเป็นไปได้สำหรับคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ ในการคำนวณเหล่านี้ แม้แต่เครื่องจักรที่ทรงพลังที่สุดยังต้องใช้เวลามากพอสมควรสำหรับ

อย่างไรก็ตามในไม่ช้าสิ่งนี้อาจเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับการพัฒนาระบบคอมพิวเตอร์ใหม่ที่เรียกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัม เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใดคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงมีประสิทธิภาพมาก มาพิจารณาว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปทำงานอย่างไรก่อน


คอมพิวเตอร์คลาสสิก

คอมพิวเตอร์ที่เรารู้จักในปัจจุบันสามารถเรียกได้ว่าเป็นคอมพิวเตอร์คลาสสิก ซึ่งหมายความว่าการคำนวณจะดำเนินการตามลำดับ - งานคำนวณหนึ่งจะถูกดำเนินการจากนั้นจึงสามารถเริ่มต้นงานอื่นได้ ซึ่งเกิดจากความจริงที่ว่าหน่วยความจำในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะต้องปฏิบัติตามกฎฟิสิกส์และมีสถานะเป็น 0 หรือ 1 ได้เท่านั้น (ปิดหรือเปิด)

มีวิธีการต่างๆ ทั้งที่เกี่ยวข้องกับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ช่วยให้คอมพิวเตอร์สามารถแยกการคำนวณที่ซับซ้อนออกเป็นชิ้นเล็กๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม พื้นฐานยังคงเหมือนเดิม งานคำนวณหนึ่งต้องเสร็จสิ้นก่อนงานอื่นจะสามารถเริ่มต้นได้

ลองพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ โดยที่คอมพิวเตอร์ต้องเดาคีย์ 4 บิต แต่ละบิตสามารถเป็น 0 หรือ 1 ก็ได้ มีค่าผสมที่เป็นไปได้ 16 ชุด ดังแสดงในตาราง:



คอมพิวเตอร์คลาสสิกต้องเดาชุดค่าผสมแต่ละชุดแยกกันทีละรายการ ลองนึกภาพว่ามีกุญแจล็อกและดอกกุญแจ 16 ดอกในพวงกุญแจ ต้องลองใช้กุญแจ 16 ดอกทีละดอก หากอันแรกเปิดล็อกไม่ได้ สามารถเป็นอันถัดไปได้ ลองแล้ว ใช้ดอกถัดไปไปเรื่อยๆ จนกระทั่งเจอดอกที่ถูกต้องที่ปลดล็อกได้

อย่างไรก็ตาม เมื่อความยาวของคีย์เพิ่มขึ้นจำนวน ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ในตัวอย่างด้านบนการเพิ่มบิตพิเศษเพื่อเพิ่มความยาวของคีย์เป็น 5 บิตจะทำให้ได้ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ 32 ชุด เพิ่มเป็น 6 บิต จะทำให้ได้ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ 64 ชุด ที่ 256 บิตจำนวนชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ใกล้เคียงกับจำนวนอะตอมโดยประมาณในเอกภพที่สังเกตได้

ในทางตรงกันข้าม ความเร็วในการประมวลผลเชิงคำนวณจะเพิ่มขึ้นในเชิงเส้นเท่านั้น การเพิ่มความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์เป็นสองเท่าส่งผลให้จำนวนการคาดเดาที่สามารถทำได้เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในเวลาที่กำหนด การเติบโตแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลเหนือกว่าความคืบหน้าเชิงเส้นใดๆ ในด้านการคาดเดา

คาดว่าจะใช้เวลานับพันปีสำหรับระบบคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในการเดาคีย์ 55 บิต เพื่อการเปรียบเทียบ ขนาด seed ขั้นต่ำที่แนะนำสำหรับใช้กับ Bitcoin คือ 128 บิต โดยที่กระเป๋าสตางค์จำนวนมากใช้ 256 บิต

ดูเหมือนว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกไม่ได้เป็นภัยคุกคามต่อการเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรที่ใช้โดยคริปโทเคอร์เรนซีและโครงสร้างพื้นฐานอินเทอร์เน็ต

  

คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ปัจจุบันมีคอมพิวเตอร์ประเภทหนึ่งอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา สำหรับคอมพิวเตอร์ที่ว่านี้ การแก้ปัญหาเหล่านี้ที่กล่าวมาเป็นเรื่องเล็กน้อย - คอมพิวเตอร์นี้คือคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งตั้งอยู่บนหลักการพื้นฐานที่อธิบายไว้ในทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานของอนุภาคในอะตอม

ในคอมพิวเตอร์คลาสสิก บิตถูกใช้เพื่อแสดงข้อมูลและบิตสามารถมีสถานะเป็น 0 หรือ 1 คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานกับควอนตัมบิตหรือ qubit เป็นหน่วยพื้นฐานของข้อมูลในคอมพิวเตอร์ควอนตัม เช่นเดียวกับบิต qubit สามารถมีสถานะเป็น 0 หรือ 1 อย่างไรก็ตามเนื่องจากความไม่ชอบมาพากลของปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัม สถานะของ qubit อาจเป็นได้ทั้ง 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน

สิ่งนี้ได้กระตุ้นให้เกิดการวิจัยและพัฒนาในด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัม โดยทั้งมหาวิทยาลัยและบริษัทเอกชนได้ลงทุนเวลาและเงินในการค้นคว้าศึกษาสาขาใหม่ที่น่าตื่นเต้นนี้ การเผชิญกับทฤษฎีนามธรรมและปัญหาทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติที่พบเจอในสาขานี้ถือเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชั้นแนวหน้าของมนุษย์

น่าเสียดายที่ผลข้างเคียงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้คือการแก้ปัญหาอัลกอริทึมที่เป็นพื้นฐานของการเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรจะกลายเป็นเรื่องเล็กน้อย โดยพื้นฐานแล้วทำลายระบบที่ต้องพึ่งพาอัลกอริทึมเหล่านี้

ลองพิจารณาตัวอย่างของการไขคีย์ 4 บิตอีกครั้ง ในทางทฤษฎีคอมพิวเตอร์ 4 qubit จะสามารถรับสถานะทั้ง 16 สถานะ (ชุดค่าผสม) พร้อมกันได้ในงานคำนวณเดียว ความน่าจะเป็นในการค้นหาคีย์ที่ถูกต้องจะเป็น 100% ในช่วงเวลาที่ต้องใช้ในการคำนวณนี้



การเข้ารหัสที่ต้านทานต่อควอนตัม

การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจทำลายการเข้ารหัสที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างพื้นฐานดิจิทัลที่ทันสมัยส่วนใหญ่ของเรา รวมถึงคริปโทเคอร์เรนซี

สิ่งนี้จะทำให้ความปลอดภัยการดำเนินงานและการสื่อสารของคนทั้งโลกตกอยู่ในความเสี่ยงตั้งแต่รัฐบาลและบริษัทข้ามชาติไปจนถึงผู้ใช้แต่ละคน ไม่แปลกใจเลยที่การวิจัยจำนวนมากกำลังมุ่งที่การตรวจสอบและพัฒนามาตรการตอบโต้เทคโนโลยีนี้ อัลกอริทึมการเข้ารหัสที่ถือว่าปลอดภัยจากการคุกคามของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเรียกว่าอัลกอริทึมที่ต้านทานต่อควอนตัม (quantum-resistant algorithm)

ในระดับพื้นฐาน ดูเหมือนว่าความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถลดลงได้ด้วยการเข้ารหัสคีย์แบบสมมาตรด้วยแค่การเพิ่มความยาวของคีย์ สาขาการเข้ารหัสแบบนี้ตกเป็นรองการใช้คีย์ที่ไม่สมมาตรในการเข้ารหัสเนื่องจากปัญหาที่เกิดจากการต้องแชร์รหัสลับร่วมในช่องทางที่เปิดเผย อย่างไรก็ตามวิธีนี้อาจเป็นที่นิยมอีกครั้งเมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมพัฒนาขึ้น

ปัญหาของการแชร์คีย์ร่วมอย่างปลอดภัยในช่องทางที่เปิดเผยอาจพบวิธีแก้ปัญหาได้เองเมื่อใช้กับการเข้ารหัสควอนตัม มีการพัฒนาความก้าวหน้าเพื่อพัฒนามาตรการรับมือกับการดักฟัง ผู้ดักฟังในช่องที่แชร์สามารถตรวจพบได้โดยใช้หลักการเดียวกันกับหลักการที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม สิ่งนี้จะทำให้ทราบได้ว่าคีย์สมมาตรที่แชร์ก่อนหน้านี้ถูกอ่านหรือแก้ไขโดยบุคคลที่สามหรือไม่

มีแนวทางอื่นๆ ในการวิจัยเพื่อตัดโอกาสการโจมตีด้วยควอนตัม ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับเทคนิคพื้นฐานเช่น แฮช เพื่อสร้างข้อความขนาดใหญ่หรือวิธีการอื่นๆ เช่นการเข้ารหัสแบบแลตทิซ (lattice-based cryptography) งานวิจัยทั้งหมดนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างการเข้ารหัสที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถอดรหัสได้ยาก


คอมพิวเตอร์ควอนตัมกับการขุด Bitcoin

การขุด Bitcoin ใช้การเข้ารหัสเช่นกัน นักขุกต้องแข่งขันกันเพื่อไขปริศนาการเข้ารหัสเพื่อแลกกับรางวัลบล็อก หากนักขุดคนเดียวสามารถมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมไว้ใช้ได้ เครื่องนั้นอาจมีอำนาจเหนือเครือข่าย ซึ่งจะช่วยลดการกระจายอำนาจของเครือข่ายและอาจทำให้เครือข่ายถูกโจมตีแบบ 51% 
อย่างไรก็ตามตามที่ผู้เชี่ยวชาญบางคนกล่าวว่าสิ่งนี้ไม่ได้เป็นภัยคุกคามในเฉพาะหน้า Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) สามารถลดประสิทธิภาพของการโจมตีดังกล่าวได้ — อย่างน้อยก็ในอนาคตอันใกล้ นอกจากนี้หากนักขุดหลายรายสามารถมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมไว้ใช้งานได้ ความเสี่ยงของการโจมตีดังกล่าวจะลดลงอย่างมาก

 

ข้อคิดส่งท้าย

การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมและภัยคุกคามที่อาจส่งผลต่อการใช้การเข้ารหัสแบบไม่สมมาตรในปัจจุบัน ดูเหมือนว่าวันหนึ่งก็จะต้องเกิดขึ้น อย่างไรก็ตามมันไม่ใช่ปัญหาที่น่ากังวล ณ ตอนนี้ - มีอุปสรรคทางวิศวกรรมและทางทฤษฎีใหญ่หลวงที่ต้องเอาชนะก่อนที่จะเกิดขึ้นจริง

เนื่องจากการเดิมพันใหญ่หลวงที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยข้อมูล จึงมีเหตุผลที่จะเริ่มวางรากฐานเพื่อต่อต้านช่องทางการโจมตีในอนาคต โชคดีที่มีงานวิจัยมากมายที่กำลังดำเนินการเพื่อหาแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้สำหรับนำไปใช้กับระบบที่มีอยู่ ตามทฤษฎีแล้วโซลูชันเหล่านี้จะปกป้องโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญของเราจากการคุกคามของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต

มาตรฐานการต้านทานควอนตัมสามารถเผยแพร่สู่สาธารณชนในวงกว้างได้ในลักษณะเดียวกับที่การเข้ารหัสจากต้นทางถึงปลายทาง (end-to-end encryption) ถูกเผยแพร่ผ่านเบราว์เซอร์และแอปพลิเคชันการส่งข้อความที่รู้จักกันดี เมื่อมาตรฐานเหล่านี้ได้รับการสรุปผลแล้ว ระบบนิเวศคริปโทเคอร์เรนซีสามารถผสานการป้องกันที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้กับช่องทางการโจมตีเหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย