Máy tính lượng tử và tiền mã hóa

Bài viết cho cộng đồng - Tác giả: John Ma

Nội dung

• Giới thiệu
• Mật mã bất đối xứng và bảo mật Internet
• Máy tính cổ điển
• Máy tính lượng tử
• Mật mã bảo vệ chống lại lượng tử
• Máy tính lượng tử và khai thác Bitcoin
• Kết luận

Giới thiệu

Máy tính lượng tử là những cỗ máy mạnh mẽ có thể giải các phương trình phức tạp nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường. Một số chuyên gia ước tính rằng chúng có thể bẻ khóa mã hóa mà các máy tính nhanh nhất hiện nay có thể mất hàng ngàn năm để bẻ khóa chỉ trong vài phút. Do đó, hầu hết các cơ sở hạ tầng bảo mật kỹ thuật số ngày nay có thể gặp rủi ro — bao gồm phương thức mã hóa là nền tảng của Bitcoin và tiền mã hóa.

Bài viết này sẽ giới thiệu về sự khác biệt giữa máy tính lượng tử khác và máy tính thông thường và những rủi ro chúng gây ra đối với tiền mã hóa và cơ sở hạ tầng kỹ thuật số.

Mật mã bất đối xứng và bảo mật Internet

Mật mã bất đối xứng (còn được gọi là mật mã khóa công khai) là một thành phần quan trọng của hệ sinh thái tiền mã hóa và hầu hết các cơ sở hạ tầng Internet. Nó dựa vào một cặp khóa để mã hóa và giải mã thông tin - cụ thể là khóa công khai để mã hóa và khóa riêng để giải mã. Ngược lại, mật mã khóa đối xứng chỉ sử dụng một khóa để mã hóa và giải mã dữ liệu.

Khóa công khai có thể được tự do chia sẻ và sử dụng để mã hóa thông tin, sau đó chỉ có thể được giải mã bằng khóa riêng tương ứng. Điều này đảm bảo rằng chỉ người nhận dự định mới có thể truy cập thông tin được mã hóa.

Một trong những ưu điểm chính của mật mã bất đối xứng là khả năng trao đổi thông tin mà không cần chia sẻ khóa chung trên một kênh không tin cậy. Nếu không có khả năng quan trọng này, sẽ không thể đạt được bảo mật trên Internet. Ví dụ, thật khó để tưởng tượng ngân hàng trực tuyến mà không có khả năng mã hóa thông tin một cách an toàn giữa các bên không tin cậy.

Nếu bạn muốn đọc thêm về chủ đề này, chúng tôi khuyên bạn nên đọc bài viết Mã hóa đối xứng và bất đối xứng.

Một số tính năng bảo mật của mật mã bất đối xứng dựa trên giả định rằng thuật toán tạo cặp khóa khiến việc tìm được khóa riêng từ khóa chung trở nên rất khó khăn, trong khi việc tìm ra khóa công khai từ khóa riêng rất đơn giản. Trong toán học, đây được gọi là hàm bẫy, bởi vì chỉ có thể tính được một chiều mà không tính được chiều ngược lại. 

Hiện nay, hầu hết các thuật toán hiện đại được sử dụng để tạo cặp khóa đều dựa trên các hàm bẫy toán học đã biết. Các hàm bẫy này có thể giải được trong một khung thời gian khả thi đối với bất kỳ máy tính hiện có nào. Sẽ mất rất nhiều thời gian để ngay cả những cỗ máy mạnh nhất để thực hiện các tính toán này.

Tuy nhiên, điều này có thể sớm thay đổi với sự phát triển của các hệ thống máy tính mới gọi là máy tính lượng tử. Để hiểu tại sao máy tính lượng tử lại mạnh mẽ như vậy, hãy xem cách thức hoạt động của máy tính thông thường trước.

Máy tính cổ điển

Máy tính mà chúng ta biết ngày nay có thể được gọi là máy tính cổ điển. Điều này có nghĩa là các tính toán được thực hiện theo thứ tự tuần tự - một tác vụ tính toán được thực thi và sau đó một tính toán khác có thể được bắt đầu. Điều này là do thực tế là bộ nhớ trong một máy tính cổ điển phải tuân theo các định luật vật lý và chỉ có thể có trạng thái 0 hoặc 1 (tắt hoặc bật).

Các phương pháp phần cứng và phần mềm khác nhau tồn tại cho phép các máy tính chia nhỏ các phép tính phức tạp thành các phần nhỏ hơn để đạt được hiệu quả. Tuy nhiên, những thành phần cơ sở vẫn giữ nguyên. Một nhiệm vụ tính toán phải được hoàn thành trước khi một nhiệm vụ khác có thể được bắt đầu.

Hãy lấy ví dụ máy tính phải đoán một khóa 4 bit. Mỗi số trong số 4 bit có thể là 0 hoặc 1. Có 16 tổ hợp có thể, như được hiển thị trong bảng:

Máy tính cổ điển cần đoán riêng từng tổ hợp, mỗi lần một tổ hợp. Hãy tưởng tượng có một ổ khóa và 16 chìa trên chùm chìa khóa. Phải thử từng chìa trong 16 chìa đó. Nếu chìa đầu tiên không mở khóa thì thử chìa tiếp theo, và cứ thế cho đến khi tìm được chìa có thể mở khóa.

Tuy nhiên, khi độ dài của khóa tăng lên, số lượng tổ hợp có thể tăng theo cấp số nhân. Trong ví dụ trên, nếu thêm một bit vào khóa để tăng độ dài khóa lên 5 bit sẽ dẫn đến 32 tổ hợp có thể. Tăng nó lên 6 bit sẽ dẫn đến 64 tổ hợp có thể. Với 256 bit, số lượng tổ hợp có thể gần với số lượng nguyên tử có thể quan sát được trong vũ trụ.

Ngược lại, tốc độ xử lý tính toán chỉ tăng trưởng tuyến tính. Nhân đôi tốc độ xử lý của máy tính dẫn chỉ có thể gấp đôi số lần đoán có thể được thực hiện trong một thời gian nhất định. Tăng trưởng theo cấp số nhân vượt xa bất kỳ tiến trình tuyến tính nào của máy tính phỏng đoán.

Người ta ước tính rằng sẽ mất hàng thiên niên kỷ để một hệ thống máy tính cổ điển có thể đoán được một khóa 55 bit. Kích thước tối thiểu được đề xuất cho một hạt giống được sử dụng trong Bitcoin là 128 bit, và nhiều loại ví sử dụng 256 bit.

Dường như điện toán cổ điển không phải là mối đe dọa đối với mã hóa bất đối xứng được sử dụng bởi tiền mã hóa và cơ sở hạ tầng Internet.

Máy tính lượng tử

Có một loại máy tính mới được phát triển và có thể dễ dàng giải quyết vấn đề này - đó là máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử dựa trên các nguyên tắc cơ bản được mô tả trong lý thuyết cơ học lượng tử, liên quan đến cách thức các hạt hạ nguyên tử hoạt động.

Trong các máy tính cổ điển, một bit được sử dụng để biểu diễn thông tin và một bit có thể có trạng thái 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử hoạt động với các bit lượng tử hoặc qubit. Một qubit là đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử. Cũng giống như một bit, một qubit có thể có trạng thái 0 hoặc 1. Tuy nhiên, nhờ đặc thù của các hiện tượng cơ học lượng tử, trạng thái của một qubit cũng có thể là cả 0 và 1 cùng một lúc.

Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện toán lượng tử, và cả các trường đại học và các công ty tư nhân đều đầu tư thời gian và tiền bạc để khám phá lĩnh vực mới thú vị này. Giải quyết các lý thuyết trừu tượng và các vấn đề kỹ thuật thực tế mà lĩnh vực này đưa ra sẽ là một trong số những thành tựu công nghệ của con người.

Thật không may, một tác dụng phụ của các máy tính lượng tử này là chúng có thể giải quyết dễ dàng các thuật toán hình thành nền tảng của mật mã bất đối xứng, điều này làm phá vỡ cơ bản các hệ thống dựa vào chúng.

Hãy xem xét ví dụ về việc bẻ các khóa 4 bit một lần nữa. Về mặt lý thuyết, một máy tính 4 qubit có thể thực hiện tất cả 16 trạng thái (tổ hợp) trong một tác vụ tính toán duy nhất. Xác suất tìm thấy khóa chính xác sẽ là 100% trong khoảng thời gian cần thiết để thực hiện tính toán này.

Mật mã bảo vệ chống lại lượng tử

Sự xuất hiện của công nghệ điện toán lượng tử có thể làm suy yếu nền tảng mã hóa của hầu hết các cơ sở hạ tầng kỹ thuật số hiện đại của chúng ta, bao gồm cả tiền mã hóa.

Điều này sẽ đe dọa đến sự an ninh, các hoạt động và thông tin liên lạc của toàn thế giới, ảnh hưởng đến các chính phủ và các tập đoàn đa quốc gia đến người dùng cá nhân. Không có gì ngạc nhiên khi có rất nhiều nghiên cứu đang được thực hiện để tìm và phát triển các biện pháp bảo vệ trước công nghệ này. Các thuật toán mã hóa được cho là an toàn trước mối đe dọa của máy tính lượng tử được gọi là thuật toán bảo vệ chống lại lượng tử.

Ở mức độ cơ bản, có vẻ như rủi ro liên quan đến máy tính lượng tử có thể được giảm thiểu bằng mật mã khóa đối xứng bằng cách tăng độ dài của khóa. Lĩnh vực mã hóa đã bị loại bỏ bởi mật mã khóa bất đối xứng do các vấn đề phát sinh từ việc chia sẻ một khóa bí mật chung trên một kênh mở. Tuy nhiên, nó có thể quay trở lại khi điện toán lượng tử phát triển.

Vấn đề chia sẻ an toàn một khóa chung trên một kênh mở cũng có thể tìm thấy giải pháp từ mật mã học lượng tử. Đang có các tiến bộ trong việc phát triển các biện pháp đối phó chống nghe lén. Nghe lén trên một kênh chia sẻ có thể được phát hiện bằng cách sử dụng các nguyên tắc tương tự cần thiết cho sự phát triển của máy tính lượng tử. Điều này sẽ cho phép chúng ta biết liệu một khóa đối xứng từng được chia sẻ trước đây hay đã bị đọc hoặc giả mạo bởi bên thứ ba.

Ngoài ra, đang có những con đường nghiên cứu khác đang được thực hiện để tìm ra biện pháp chống lại các cuộc tấn công dựa trên lượng tử có thể. Chúng có thể bao gồm các kỹ thuật cơ bản như băm để tạo kích thước tin nhắn lớn hoặc các phương thức khác như mật mã dựa trên mạng tinh thể. Tất cả các nghiên cứu này nhằm tạo ra các loại mã hóa mà máy tính lượng tử sẽ khó bẻ khóa.

Máy tính lượng tử và khai thác Bitcoin

Khai thác bitcoin cũng sử dụng mật mã. Các thợ đào cạnh tranh để giải một câu đố mật mã để đổi lấy phần thưởng khối . Nếu một thợ đào duy nhất có quyền truy cập vào một máy tính lượng tử, người đó có thể chiếm ưu thế trên mạng. Điều này sẽ làm giảm sự phi tập trung của mạng và có khả năng khiến nó bị tấn công 51%. 

Tuy nhiên, theo một số chuyên gia, đây không phải là một mối đe dọa ngay lập tức. Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) có thể làm giảm hiệu quả của một cuộc tấn công như vậy — ít nhất là trong tương lai gần. Ngoài ra, nếu nhiều người khai thác có quyền truy cập vào máy tính lượng tử, nguy cơ bị tấn công như vậy sẽ giảm đáng kể.

Kết luận

Điện toán lượng tử và mối đe dọa mà nó mang đến cho việc triển khai mã hóa bất đối xứng dường như chỉ là vấn đề thời gian. Tuy nhiên, đó không phải là vấn đề cần quan tâm ngay lập tức - có những rào cản lớn về mặt lý thuyết và kỹ thuật cần phải vượt qua trước khi nó được thực hiện đầy đủ.

Do các cổ phần to lớn liên quan đến bảo mật thông tin, việc bắt đầu đặt nền tảng chống lại một vectơ tấn công trong tương lai là điều hợp lý. Rất may, có rất nhiều nghiên cứu đã được triển khai thành các giải pháp tiềm năng để triển khai cho các hệ thống hiện có. Về mặt lý thuyết, những giải pháp này sẽ bảo vệ các cơ sở hạ tầng quan trọng của chúng ta trước mối đe dọa của máy tính lượng tử.

Các tiêu chuẩn bảo vệ chống lại lượng tử có thể được phân phối cho công chúng rộng hơn giống như cách triển khai mã hóa đầu cuối thông qua các trình duyệt và ứng dụng nhắn tin nổi tiếng. Khi các tiêu chuẩn này được hoàn thiện, hệ sinh thái tiền mã hóa có thể tích hợp khả năng phòng thủ mạnh nhất có thể chống lại các vectơ tấn công này một cách dễ dàng.