آشنایی با تهدیدات کوانتومی و راه‌های مقابله با آن‌ها

در سال ۱۹۹۴، یکی از دانشمندان به‌نام پیترشور کشف کرد که اگر کامپیوترهای کوانتومی اختراع شوند، بسیاری از زیرساخت‌های استفاده‌شده برای محافظت از اطلاعات را از بین خواهند برد. این احتمال ترسناک باعث شد که محققان به‌فکر تولید طرح‌های رمزنگاری جدید و «پسا کوانتومی» بیفتند تا از این طریق اطلاعات مهم را از خطر رایانه‌های کوانتومی نجات دهند؛ از این رو براساس مجموعه‌ای از عملیات ریاضی، شیوه رمزنگاری جدیدی را طراحی کردند که رمزگشایی آن تقریبا غیرممکن است. این الگوریتم جدید، «رمزنگاری مشبکه-مبنا» نامیده می‌شود که در ادامه اهمیت و مزایای آن را بررسی خواهیم کرد.

رمزنگاری مشبکه-مبنا چیست؟

با آماده‌شدن جهان برای ظهور محاسبات کوانتومی، محبوبیت و اهمیت رمزنگاری مشبکه-مبنا نیز افزایش می‌یابد. تاکنون پیشرفت‌های متعددی در زمینه‌ی محاسبات کوانتومی وجود داشته است و همین امر موجب می‌شود بازار رمزنگاری کوانتومی با رونق بیشتری همراه باشد. همانطور که گفتیم، رمزنگاری مشبکه-مبنا (Lattice-Based) اغلب برمبنای مفاهیم ریاضی استوار است و برخلاف روش‌های مرسوم کنونی، یکی از بهترین حوزه‌های رمزنگاری پساکوانتومی به‌شمار می‌رود. مشبکه شامل مجموعه‌ای از بردارها است که در آن نقاطی با خطوط مستقیم به یکدیگر متصل شده‌اند و الگویی پیچیده را توصیف می‌کنند. این عامل، رمزنگاری مشبکه-مبنا را به یک جایگزین جذاب برای سایر روش‌های رمزنگاری رایج نظیر RSA که در برابر حملات هکرها آسیب‌پذیر هستند، تبدیل می‌کند.

همانطور که پیش از این اشاره کردیم، رمزنگاری مشبکه-مبنا امکان رمزگذاری پیام‌ها را به ‌گونه‌ای فراهم می‌کند که تنها توسط شخصی که کلید صحیح را می‌داند، رمزگشایی شود. برای مثال، فرض کنید دو شبکه دارید؛ یکی با ده نقطه و دیگری با صد نقطه. اگر بخواهید به‌طور تصادفی از هر شبکه دونقطه را انتخاب کنید، تعیین اینکه کدام نقطه در شبکه ده‌نقطه‌ای با کدام نقطه از شبکه صدنقطه‌ای مطابقت دارد، پیچیده و دشوار خواهد بود. درحالی‌که اگر کلید صحیح را می‌دانستید، به‌راحتی نقاط را مطابقت می‌دادید و درنهایت می‌توانستید پیام موردنظر را رمزگشایی کنید.

مفهوم مشبکه‌ها

برای درک درست رمزهای مشبکه-مبنا و رمزنگاری براساس این شیوه، شناخت مشبکه‌ها و مسائل ریاضی پیرامون آن‌ها بسیار مهم است. مشبکه‌ها به‌طور گسترده توسط ریاضیدان‌های بسیاری مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. به‌نظر می‌رسد منبع بسیاری از روش‌های رمزنگاری برپایه‌ی شاخه‌ای از ریاضیات است که نظریه اعداد نامیده می‌شود. این نظریه مجموعه‌ای از مسائل ساده، انعطاف‌پذیر و در عین حال حل‌نشده را در بر می‌گیرد که نقش مهمی در رمزنگاری‌ کلید عمومی یا نامتقارن ایفا کرده‌اند. برای مثال، یکی از ساده‌ترین مسئله‌های ریاضی، فاکتورگیری است و بسیاری از طرح‌های رمزنگاری نامتقارن که امروزه مورداستفاده قرار می‌گیرند، براساس این مسئله طراحی شده‌اند. درواقع شکستن هریک از این رمزنگاری‌ها، مستلزم حل یکی از مسائل ریاضی مانند فاکتورگیری است.

هرچه زمان می‌گذرد به تولید کامپیوترهای کوانتومی و ظهور آن‌ها در دنیای تکنولوژی نزدیک‌تر می‌شویم و دانشمندان دریافته‌اند که این فناوری تهدیدی برای رمزنگاری‌های فعلی خواهد بود؛ از این رو برای طراحی شیوه جدید رمزنگاری این‌بار به نظریه‌ی مشبکه روی آورده‌اند. به‌بیان ساده، مشبکه مفهومی در ریاضیات و نظریه اعداد است و یک فضای دوبعدی را توصیف می‌کند که در آن چند بردار توسط نقاط به‌یکدیگر متصل شده‌اند. به‌تعداد بردارهای مشبکه پایه‌ی مشبکه (Lattice Basis) گفته می‌شود.

رمزنگاری سرتاسری چیست و چرا اهمیت دارد؟

امنیت الگوریتم‌های مبتنی‌برشبکه اغلب به حل مسائل ریاضی درفضای مشبکه‌ها بستگی دارد. مسئله‌ی کوتاه‌ترین بردار (SVP) یکی از پیچیده‌ترین مسائل ریاضی است که در رمزنگاری مشبکه-مبنا از آن استفاده می‌شود. هنگامی که اطلاعاتی به‌این شیوه رمزنگاری می‌شود، هکر برای رمزگشایی، باید کوتاه‌ترین برداری را که از مبدا شروع شده است، پیدا کند. این مسئله شاید به‌نظر ساده باشد، اما یافتن کوتاه‌ترین بردار در یک مشبکه به‌قدری دشوار است که انتظار می‌رود رایانه‌های کوانتومی قادر به‌حل آن نباشند؛ چراکه رمزهای مشبکه-مبنا مانند Dilithium و Kyber ثابت کرده‌اند که پتانسیل بالایی برای مقاومت دربرابر حملات منابع کوانتومی دارند و به‌طور گسترده، نمونه‌هایی از رمزگذاری مقاوم دربرابر کوانتوم محسوب می‌شوند.

مزایای رمزگذاری مشبکه-مبنا

استفاده از مسائل پیچیده‌ی ریاضی در شیوه‌ی جدید و پرکاربرد رمزنگاری، موجب می‌شود کسب‌وکارها از سیستم‌هایشان دربرابر خطرات احتمالی محافظت کنند. رمزنگاری مشبکه مزایای محتلفی را نسبت‌به رمزنگاری‌های رایج ارائه می‌دهد که از میان‌ آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بهبود امنیت: یکی از مهم‌ترین مزایا شیوه‌ی جدید رمزنگاری، این است که امنیت شبکه را به‌طرز قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد؛ زیرا رمزگشایی شبکه‌ها بسیار دشوارتر از ساختارهایی است که در رمزنگاری‌های دیگر مانند منحنی‌های بیضوی استفاده می‌شوند.

محاسبات سریع‌تر: زمان محاسباتی سریع‌تر تاثیر مستقیمی بر عملکرد سیستم دارد؛ به‌ویژه در برنامه‌هایی که به پاسخ‌های لحظه‌ای نیاز دارند، مانند پخش رسانه یا بازی‌های آنلاین.

مصرف انرژی کمتر: الگوریتم‌های رمزنگاری مشبکه علاوه‌بر سریع‌تر بودن، انرژی کمتری نیز مصرف می‌کنند و می‌توان آن‌ها را در سخت‌افزارهایی که به‌توان کمتری نیاز دارند، پیاده‌سازی کرد.

پیاده‌سازی آسان: برخلاف الگوریتم‌های دیگر مانند منحنی بیضوی، رمزنگاری مشبکه‌ای را می‌توان روی سخت‌افزارهای آماده اجرا کرد که باعث دسترسی بیشتر و هزینه کمتر می‌شود. علاوه‌بر این، هیچ الزامات خاصی برای پیاده‌سازی این نوع رمزنگاری وجود ندارد.

علاوه بر مزایایی که بیان شد، رمزنگاری‌های مشبکه-مبنا را می‌توان برای کاربردهای مختلفی استفاه کرد. همچنین چندین روش متفاوت برای ساخت یک مشبکه وجود دارد که به‌معنی انعطاف‌پذیری درنحوه استفاده‌از این نوع رمزنگاری است.

رایانه‌های کوانتومی می‌توانند مسائلی را که محاسبه‌ی آن‌ها در کامپیوترهای معمولی صدهزارسال طول می‌کشد، در چندثانیه حل کنند و با این عملکرد به‌راحتی می‌توانند بر پروتکل‌های رمزنگاری که امروزه استفاده می‌کنیم، غلبه کنند؛ ازاین‌رو انتظار می‌رود استاندارهای رمزنگاری جدید مانند رمزنگاری مشبکه-مبنا در آینده با محبوبیت بیشتری همراه باشد؛ چراکه ما را به امنیت رمزنگاری در دنیای پساکوانتومی امیدوارتر می‌کند.