Bản phát hành cộng đồng - Tác giả: John Ma

Giới thiệu

Máy tính lượng tử có sức mạnh tính toán mạnh mẽ và có thể giải quyết các hoạt động phức tạp nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường. Một số chuyên gia ước tính rằng máy tính lượng tử có thể phá mã hóa chỉ trong vài phút, trong khi những máy tính nhanh nhất hiện nay phải mất hàng nghìn năm. Do đó, hầu hết cơ sở hạ tầng bảo mật kỹ thuật số hiện tại có thể bị ảnh hưởng, bao gồm cả các cơ chế mã hóa mà các loại tiền điện tử như Bitcoin dựa vào.

Bài viết này sẽ giới thiệu sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường, đồng thời giải thích những rủi ro mà máy tính lượng tử mang lại cho tiền điện tử và cơ sở hạ tầng kỹ thuật số.

Mã hóa bất đối xứng và bảo mật Internet

Mã hóa bất đối xứng còn được gọi“ "Khóa công khai mật mã" là một thành phần quan trọng của hệ sinh thái tiền điện tử và phần lớn cơ sở hạ tầng Internet. Nguyên tắc hoạt động của nó là dựa vào một cặp khóa để mã hóa và giải mã thông tin - khóa chung chịu trách nhiệm mã hóa và khóa riêng chịu trách nhiệm giải mã. Ngược lại, mã hóa đối xứng sử dụng một khóa duy nhất để mã hóa và giải mã dữ liệu.

Khóa chung có thể được chia sẻ theo ý muốn và thông tin được mã hóa chỉ có thể được giải mã bằng khóa riêng tương ứng, đảm bảo rằng thông tin chỉ được mở cho người nhận được chỉ định.

Một trong những ưu điểm của mã hóa bất đối xứng là nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi thông tin mà không cần phải chia sẻ khóa thông qua các kênh không đáng tin cậy. Nếu không có yếu tố này thì không thể đạt được bảo mật thông tin cơ bản trên Internet. Ví dụ, khái niệm ngân hàng trực tuyến dựa trên sự bất lực của các bên không đáng tin cậy trong việc mã hóa thông tin một cách an toàn chỉ đơn giản là viển vông.

Để biết thêm thông tin, vui lòng đọc "So sánh Mã hóa đối xứng và Mã hóa bất đối xứng".

Một phần cơ chế bảo mật của mã hóa bất đối xứng dựa trên tiền đề chính, đó là thuật toán tạo cặp khóa làm tăng đáng kể độ khó của việc lấy khóa riêng từ khóa chung và lấy khóa công khai từ khóa riêng. Khóa này tương đối đơn giản. Về mặt toán học, nó được gọi là "hàm cửa sập" - dễ tính theo hướng thuận nhưng khó tính theo hướng ngược lại.  

Hiện tại, hầu hết các thuật toán hiện đại để tạo cặp khóa đều dựa trên hàm bẫy toán học đã biết. Việc bẻ khóa các chức năng cửa bẫy này đòi hỏi sức mạnh tính toán rất lớn và mất nhiều thời gian. Ngay cả những máy tính mạnh nhất hiện nay cũng cần một lượng thời gian đáng kể để thực hiện các phép tính.  

Tuy nhiên, nếu máy tính lượng tử được phát triển thành công, tình hình sẽ thay đổi rất nhiều. Để hiểu đầy đủ lý do tại sao máy tính lượng tử lại mạnh mẽ đến vậy, trước tiên chúng ta phải hiểu cách thức hoạt động của máy tính thông thường.  

Máy tính cổ điển

Những máy tính mà chúng ta biết hiện nay có thể được gọi là "máy tính cổ điển". Các hoạt động của máy tính cổ điển được thực hiện theo trình tự, sau khi hoàn thành một tác vụ, tác vụ tiếp theo có thể bắt đầu. Lý do là bộ nhớ của máy tính cổ điển phải tuân theo các định luật vật lý và chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1 (tắt hoặc bật).

Thông qua nhiều phương pháp phần cứng và phần mềm khác nhau, máy tính có thể chia nhỏ các hoạt động phức tạp và cuối cùng là nâng cao hiệu quả. Tuy nhiên, bản chất không thể thay đổi được. Các nhiệm vụ tính toán phải được thực hiện lần lượt theo thứ tự.

Hãy lấy một ví dụ: máy tính cần đoán khóa có 4 chữ số. Trạng thái của 4 bit này có thể là 0 hoặc 1. Có 16 khả năng, như được hiển thị trong bảng sau:

Máy tính cổ điển cần đoán lần lượt 16 khả năng này, mỗi lần đoán một lần. Việc này giống như dùng 16 chiếc chìa khóa để mở một ổ khóa, mỗi chiếc chìa phải thử một lần. Nếu cái đầu tiên không mở được, hãy thử cái tiếp theo cho đến khi khóa được mở.

Khi độ dài mật khẩu tăng lên, số lượng kết hợp tăng theo cấp số nhân. Trong ví dụ trên, nếu độ dài khóa tăng lên 5 chữ số thì sẽ có 32 tổ hợp liên quan. Tăng lên 5 chữ số sẽ có 64 loại. Tăng lên 256 byte, số lượng kết hợp gần bằng ước tính về số lượng nguyên tử trong vũ trụ quan sát được.

Tuy nhiên, tốc độ tính toán của máy tính cổ điển chỉ có thể tăng tuyến tính. Việc tăng gấp đôi tốc độ tính toán chỉ có thể nhân đôi số lần đoán trong một thời gian nhất định và mức tăng tuyến tính này thua xa mức tăng theo cấp số nhân của số lượng kết hợp.

Theo ước tính, một hệ thống máy tính cổ điển sẽ phải mất hàng nghìn năm mới bẻ khóa được khóa 55 bit. Để tham khảo, Bitcoin khuyên bạn nên sử dụng cụm từ ghi nhớ không dưới 128 bit và nhiều ví thậm chí còn yêu cầu 256 bit.

Có vẻ như các máy tính cổ điển không thể đe dọa đến mã hóa bất đối xứng được sử dụng bởi tiền điện tử và cơ sở hạ tầng Internet.

Máy tính lượng tử

Có một loại máy tính đang trong giai đoạn phát triển ban đầu của họ. Sau khi công nghệ trưởng thành, vấn đề trong ví dụ trên sẽ dễ dàng được giải quyết - đây là máy tính lượng tử. Nó tập trung vào hành vi của các hạt hạ nguyên tử, dựa trên các nguyên tắc cơ bản được nêu trong lý thuyết cơ học lượng tử.

Trong máy tính cổ điển, thông tin được biểu diễn bằng "bit". Trạng thái của một bit có thể là 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử cũng có đơn vị tương ứng là qubit. Nó là đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử. Giống như bit, qubit có thể có trạng thái 0 hoặc 1. Tuy nhiên, hiện tượng độc đáo của cơ học lượng tử xác định rằng trạng thái của qubit có thể là 0 và 1 cùng một lúc.

Vì lý do này, nhiều trường đại học và công ty tư nhân đang tích cực tham gia vào việc nghiên cứu và phát triển điện toán lượng tử. Họ đầu tư rất nhiều thời gian và tiền bạc với hy vọng khắc phục được các vấn đề kỹ thuật lý thuyết và thực tiễn trừu tượng trong lĩnh vực này và vượt qua các ranh giới khoa học và công nghệ của con người.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử cũng có những "tác dụng phụ": các hoạt động lượng tử có thể dễ dàng bẻ khóa thuật toán cơ bản của mã hóa bất đối xứng, về cơ bản gây nguy hiểm cho tất cả các hệ thống dựa vào mã hóa bất đối xứng.

Hãy quay lại ví dụ bẻ khóa 4 chữ số ở phần trước. Về mặt lý thuyết, máy tính lượng tử 4 bit có thể kiểm tra 16 tổ hợp cùng lúc và hoàn thành nhiệm vụ chỉ trong một thao tác. Trong thao tác này, xác suất tìm được khóa đúng là 100%.

Mật mã phản lượng tử

Công nghệ điện toán lượng tử có thể dễ dàng vượt qua hàng rào bảo vệ mật mã của cơ sở hạ tầng kỹ thuật số hiện đại và ngay cả tiền điện tử cũng không thể tránh khỏi.

Từ người dùng cá nhân đến chính phủ và các tập đoàn đa quốc gia, an ninh, hoạt động và truyền thông trên toàn thế giới sẽ bị ảnh hưởng. Tất nhiên, các tổ chức và nhân sự R&D sẽ không “ngồi yên” mà đang ráo riết điều tra, phát triển các biện pháp đối phó. Các thuật toán mã hóa có thể chịu được máy tính lượng tử được gọi là "thuật toán mã hóa kháng lượng tử".

Về cơ bản, chúng ta có thể dễ dàng giảm nguy cơ máy tính lượng tử phá khóa thông qua mã hóa đối xứng chỉ bằng cách tăng độ dài khóa. Để tránh rủi ro bảo mật khi chia sẻ khóa trong các kênh công cộng, mã hóa bất đối xứng đã loại trừ mã hóa đối xứng và dần dần thay thế nó. Tuy nhiên, sự phát triển của điện toán lượng tử có thể mang lại sự chú ý mới cho lĩnh vực này.

Vấn đề bảo mật của việc chia sẻ khóa công khai trên các kênh công khai dự kiến sẽ được giải quyết bằng mật mã lượng tử. Tiến bộ đã dần được thực hiện trong lĩnh vực chống nghe lén. Sử dụng các nguyên tắc tương tự được sử dụng để phát triển máy tính lượng tử, chúng tôi có thể phát hiện những kẻ nghe trộm trên các kênh công cộng và xác định xem mật khẩu đối xứng dùng chung có bị bên thứ ba truy cập hoặc giả mạo hay không.

Ngoài ra, các phương tiện chống lại các cuộc tấn công lượng tử khác cũng đang được phát triển. Việc sử dụng các kỹ thuật cơ bản như băm để tạo ra các thông điệp lớn và các phương pháp như mật mã mạng là những phương tiện hiệu quả. Mục tiêu của tất cả nghiên cứu này là tìm ra các loại mã hóa mà máy tính lượng tử khó có thể phá vỡ.

Máy tính lượng tử và khai thác Bitcoin

Khai thác bitcoin cũng sử dụng cơ chế học mật khẩu. Những người khai thác cạnh tranh để giải các câu đố về mật mã và kiếm phần thưởng khối. Nếu một thợ mỏ sử dụng máy tính lượng tử, anh ta có thể thống trị toàn bộ mạng. Mạng mất đi các đặc tính phi tập trung và cực kỳ dễ bị tấn công 51%.  

Tuy nhiên, một số chuyên gia tin rằng đây không phải là mối đe dọa sắp xảy ra. Các mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) có thể giảm thiểu hiệu quả của các cuộc tấn công như vậy, ít nhất là trong tương lai gần. Ngoài ra, nếu nhiều thợ mỏ sử dụng máy tính lượng tử, nguy cơ bị tấn công sẽ giảm đáng kể.

Tóm tắt

Với sự phát triển không ngừng của máy tính lượng tử, tính bất đối xứng Có vẻ như việc mã hóa bị ảnh hưởng chỉ là vấn đề thời gian. Chúng ta đừng lo lắng về điều đó vào lúc này. Vẫn còn những vấn đề lý thuyết và kỹ thuật lớn cần phải khắc phục trong lĩnh vực này.

An ninh thông tin sắp phải đối mặt với mối đe dọa lớn. Mọi người nên chuẩn bị và chủ động ứng phó với các cuộc tấn công trong tương lai. May mắn thay, nhiều người đang nghiên cứu cách triển khai các biện pháp đối phó với các hệ thống hiện có. Về lý thuyết, các biện pháp đối phó này sẽ bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng khỏi các mối đe dọa do máy tính lượng tử gây ra.

Giống như việc mã hóa hai đầu được triển khai đầy đủ trong các trình duyệt và phần mềm nhắn tin phổ biến, các tiêu chuẩn kháng lượng tử có thể được triển khai rộng rãi trong phạm vi công cộng. Sau khi các tiêu chuẩn được thiết lập, hệ sinh thái tiền điện tử có thể dễ dàng tích hợp các biện pháp phòng thủ mạnh nhất chống lại các vectơ tấn công từ bên ngoài.