Το μέλλον: Crypto και Κβαντική Μηχανική

Από Ελένη Κουρουπάκη:

Μια από τις πιο πολυσυζητημένες τεχνολογικές εξελίξεις του σύχρονου κόσμου είναι η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής και η δημιουργία της κβαντικής υπολογιστικής (Quantum computing).

Αρχικά ας εξηγήσουμε λίγο τι σημαίνει κβαντική υπολογιστική. Είναι ένας τύπος υπολογιστικής που αξιοποιεί τις συλλογικές ιδιότητες των κβαντικών καταστάσεων, όπως η αρχή της υπέρθεσης και η κβαντική διεμπλοκή (αποκαλούμενη και κβαντικός εναγκαλισμός), για την εκτέλεση υπολογισμών. Οι συσκευές που εκτελούν κβαντικούς υπολογισμούς είναι γνωστές ως κβαντικοί υπολογιστές.

Σε έναν συμβατικό ψηφιακό υπολογιστή (κατά κανόνα ηλεκτρονικό), στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας είναι το bit, ενώ σε έναν κβαντικό υπολογιστή το qubit. Η βασική αρχή της κβαντικής υπολογιστικής επιστήμης είναι το γεγονός ότι οι κβαντομηχανικές ιδιότητες της ύλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση και τη δόμηση δεδομένων, καθώς και το γεγονός ότι μπορούν να επινοηθούν και να κατασκευαστούν μηχανισμοί στηριγμένοι στην κβαντομηχανική για την επεξεργασία αυτών των δεδομένων.

Μεγάλης κλίμακας κβαντικοί υπολογιστές αναμένεται να λύνουν προβλήματα πολύ ταχύτερα από τους κλασικούς υπολογιστές, χρησιμοποιώντας τους καλύτερους μέχρι τώρα γνωστούς αλγόριθμους, όπως η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Shor ή η προσομοίωση μεγάλων συστημάτων. Αν δοθούν αρκετοί υπολογιστικοί πόροι σε έναν κλασικό υπολογιστή, μπορεί να προσομοιώσει οποιοδήποτε κβαντικό αλγόριθμο.

Ωστόσο η υπολογιστική ισχύς 500 qubit, για παράδειγμα, θα ήταν ήδη πολύ μεγάλη για να αναπαρασταθεί σε έναν κλασικό υπολογιστή γιατί θα χρειαζόταν να αποθηκευτούν 2⁵⁰⁰ τιμές (ένα terabyte πληροφορίας μπορεί να αποθηκεύσει 2⁴³ διακριτές τιμές). Σε αυτό το σημείο λοιπόν πρέπει να αναφερθεί ότι υπάρχουν αρκετές αμφιβολίες σχετικά με την τελειοποίηση ενός κβαντικού υπολογιστή και το μέλλον των κρυπτονομισμάτων.

Πως συνδέται λοιπόν η κβαντική μηχανική με την κρυπτογραφία και τα κρυπτονομίσματα; #

Το πιο γνωστό παράδειγμα κβαντικής κρυπτογραφίας είναι η διανομή κβαντικών κλειδιών (QKD) που προσφέρει μια θεωρητικά ασφαλή λύση πληροφοριών στο πρόβλημα της ανταλλαγής κλειδιών. Το πλεονέκτημα της κβαντικής κρυπτογραφίας έγκειται στο γεγονός ότι επιτρέπει την ολοκλήρωση διαφόρων κρυπτογραφικών εργασιών που αποδεικνύεται ή εικάζεται ότι είναι αδύνατες να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας μόνο κλασική (δηλαδή μη κβαντική) επικοινωνία. Για παράδειγμα, είναι αδύνατη η αντιγραφή δεδομένων που κωδικοποιούνται σε κβαντική κατάσταση. Εάν κάποιος επιχειρήσει να διαβάσει τα κωδικοποιημένα δεδομένα, η κβαντική κατάσταση θα αλλάξει λόγω κατάρρευσης της κυματικής συνάρτησης (θεώρημα μη κλωνοποίησης). Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση μιας υποκλοπής στη κατανομή κβαντικού κλειδιού.

Πως λειτουργεί η κβαντική κρυπτογραφία; #

Τα Qubits έχουν μια ενδιαφέρουσα ιδιορρυθμία, ότι εγκαθίστανται σε μία μόνο κατάσταση όταν παρατηρηθούν (observed). Πολλές από τις σημερινές μεθόδους κρυπτογράφησης μπορούν να κατατροπωθούν με επιθέσεις side-channel, man-in-the-middle και διάφορες άλλες. Αλλά η ιδιορρυθμία των qubits το καθιστά εύκολο να αποκαλυφθεί αν έχουν παρατηρηθεί και άρα αν έχει συμβεί κάποια επίθεση και το αντίστοιχο μήνυμα δεν πρέπει να θεωρηθεί έμπιστο.

Με αυτόν τον τρόπο, η κβαντική κρυπτογραφία θα μπορούσε να κρυπτογραφήσει δίκτυα οπτικών ινών, δηλαδή, το φυσικό επίπεδο της επικοινωνίας από άκρη σε άκρη. Με το καλώδιο των οπτικών ινών να τρέχει σε ολόκληρη τη σύνδεση, θεωρητικά δεν θα χρειαστείτε κρυπτογράφηση σε οποιοδήποτε άλλο επίπεδο του δικτύου.

Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της κβαντικής κρυπτογραφίας; #

Όπως προαναφέρθηκε, η κρυπτογραφία είναι ο ισχυρότερος κρίκος στην αλυσίδα της ασφάλειας δεδομένων. Ωστόσο, τα ενδιαφερόμενα μέρη δεν μπορούν να υποθέσουν ότι τα κρυπτογραφικά κλειδιά θα παραμείνουν ασφαλή επ’ αόριστον. Η κβαντική κρυπτογραφία έχει τη δυνατότητα να κρυπτογραφεί δεδομένα για μεγαλύτερες περιόδους από την κλασική κρυπτογραφία. Χρησιμοποιώντας την κλασική κρυπτογραφία, οι επιστήμονες δεν μπορούν να εγγυηθούν την κρυπτογράφηση για τα επόμενα 30 χρόνια, αλλά ορισμένοι θα ενδιαφερόντουσαν για μεγαλύτερες περιόδους προστασίας. Η κατανομή κβαντικών κλειδιών μπορεί να προστατεύσει ηλεκτρονικά αρχεία για περιόδους έως και 100 ετών.

Επίσης, έχει χρήσιμες εφαρμογές για κυβερνήσεις και στρατούς καθώς, ιστορικά, οι κυβερνήσεις κρατούσαν μυστικά στρατιωτικά δεδομένα για περιόδους άνω των 60 ετών. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι η κατανομή κβαντικού κλειδιού μπορεί να ταξιδέψει μέσω ενός θορυβώδους καναλιού σε μεγάλη απόσταση και να είναι ασφαλής. Μπορεί να μετατραπεί από ένα θορυβώδες κβαντικό σχήμα σε ένα κλασικό αθόρυβο σχήμα, το οποίο μπορεί να συμβεί με την κλασική θεωρία των πιθανοτήτων.

Αυτή η διαδικασία της ύπαρξης συνεπούς προστασίας σε ένα θορυβώδες κανάλι μπορεί να είναι δυνατή μέσω της εφαρμογής κβαντικών αναμεταδοτών. Οι κβαντικοί αναμεταδότες έχουν τη δυνατότητα να επιλύουν τα σφάλματα κβαντικής επικοινωνίας με αποτελεσματικό τρόπο. Οι κβαντικοί αναμεταδότες, οι οποίοι είναι κβαντικοί υπολογιστές, μπορούν να τοποθετηθούν ως τμήματα πάνω από το θορυβώδες κανάλι για να διασφαλιστεί η ασφάλεια της επικοινωνίας. Το κάνουν αυτό καθαρίζοντας τα τμήματα του καναλιού πριν τα συνδέσουν δημιουργώντας μια ασφαλή γραμμή επικοινωνίας. Οι κατώτεροι κβαντικοί αναμεταδότες μπορούν να παρέχουν αποτελεσματική ασφάλεια μέσω του θορυβώδους καναλιού σε μεγάλη απόσταση.

Ποιά είναι τα μειονεκτήματα της κβαντικής κρυπτογραφίας; #

Όπως κάθε νέα και τεχνολογία, επιφυλάσει και αρκετούς κινδύνους. Η ιδέα ότι η κβαντική κρυπτογραφία είναι ο εχθρός των κρυπτονομισμάτων υιοθετείται από μια μεγάλη μερίδα του πληθυσμού.

Το μεγαλύτερο πρόβλημα αυτή τη στιγμή είναι το πρόβλημα που αντιμετωπίζει οποιαδήποτε νέα τεχνολογία, είναι απαγορευτικά ακριβή. Επιπλέον, θα απαιτούσε τη δική της υποδομή. Η μετακβαντική κρυπτογράφηση έχει το πλεονέκτημα της συμβατότητας με τα υπάρχοντα δίκτυα. Επίσης, δεν την έχουμε καταλάβει ακόμα σαν τεχνολογία. Τα ποσοστά σφαλμάτων είναι σχετικά υψηλά και η κβαντική κρυπτογραφία που βασίζεται σε ίνες λειτουργεί μόνο σε αρκετά μικρές αποστάσεις. Θα μπορούσατε να αυξήσετε αυτήν την απόσταση με αναμεταδότες, αλλά αυτό θα δημιουργούσε αδύναμα σημεία. Είναι επίσης απίθανο να υπάρχει σύνδεση εξ ολοκλήρου βασισμένη σε ίνες.

Η κρυπτογραφία είναι θεμελιώδες στοιχείο στα κρυπτονομίσματα ανεξάρτητα από τον αλγόριθμο συναίνεσης τους. Μια ξαφνική αλλαγή στα πρότυπα της κρυπτογράφησης θα βλάψει την ικανότητα των Proof-of-Work miners ή εκείνων που θέλουν να αποδείξουν ότι έχουν «κερδίσει» το δικαίωμα μετάδοσης συναλλαγών στην περίπτωση του Proof-of-Stake. Οι ψηφιακές υπογραφές είναι το κοινό σημείο ευπάθειας εδώ, καθώς και η κρυπτογραφία ελλειπτικής καμπύλης που χρησιμοποιείται για την προστασία των ιδιωτικών κλειδιών.

Βοηθάει εδώ το γεγονός ότι υπάρχει ένα καλό σημείο συμφόρησης κατά μία έννοια: υπάρχουν πραγματικά μόνο δύο ή τρεις τύποι κρυπτογραφικών τεχνικών που θα πρέπει να αντικατασταθούν. Οι ψηφιακές υπογραφές και τα κρυπτογραφικά κλειδιά (private & public keys), είναι οι δύο τομείς που θα πρέπει να εστιαστούν. Η επιδιόρθωση αυτών των δύο περιοχών θα βοηθήσει τη συντριπτική πλειονότητα των τρωτών σημείων που μπορεί να προέρχονται από την κβαντική υπολογιστική.

Επιπρόσθετα, πολλά κρυπτονομίσματα, όπως το Bitcoin, είναι αποκεντρωμένα, υπό την επίβλεψη ουσιαστικά οποιουδήποτε συμμετέχει σε κάθε δίκτυο κρυπτονομισμάτων. Για να ενημερώσουν την εσωτερική λειτουργία ενός κρυπτονομίσματος, οι άνθρωποι που προσπαθούν να αναβαθμίσουν ένα κρυπτονόμισμα πρέπει να πείσουν περισσότερους από τους μισούς συμμετέχοντες να κάνουν «fork» το κρυπτονόμισμα σε μια νέα έκδοση.

Το πραγματικό κβαντικό τεστ για τα κρυπτονομίσματα θα είναι οι δομές διακυβέρνησης, όχι οι τεχνολογίες, λέει ο Hunter Jensen, επικεφαλής τεχνολογίας της Permission.io, μιας εταιρείας που χρησιμοποιεί κρυπτονομίσματα για ένα στοχευμένο διαφημιστικό σύστημα. Μια τέτοια διακυβέρνηση θα μπορούσε να ανταμείψει τα κρυπτονομίσματα που έχουν ισχυρότερες κεντρικές εξουσίες, που μπορούν να κινηθούν πιο γρήγορα για να υιοθετήσουν μετακβαντική προστασία. Αλλά παρουσιάζει ένα αίνιγμα στην κοινότητα των κρυπτονομισμάτων, η οποία συχνά απορρίπτει την ιδέα της εξουσίας.

Επίσης, ένας άλλος κίνδυνος είναι ότι τα blockchain βασίζονται σε μια τεχνολογία ψηφιακών δακτυλικών αποτυπωμάτων που ονομάζεται hashing (δείτε εδώ τι είναι το hashing), την οποία οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να διαταράξουν. Ωστόσο, αυτό είναι πιθανό να διορθωθεί με πιο περιορισμένες τεχνολογικές ενημερώσεις. Τα πορτοφόλια κρυπτονομισμάτων που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι για να παρακολουθούν τα ψηφιακά τους στοιχεία θα μπορούσαν επίσης να είναι ευάλωτα στην κβαντική υπολογιστική. Αυτά τα πορτοφόλια αποθηκεύουν ιδιωτικά κλειδιά που χρειάζονται οι άνθρωποι για να έχουν πρόσβαση στα περιουσιακά τους στοιχεία που είναι καταγεγραμμένα στο blockchain. Μια επιτυχημένη επίθεση θα μπορούσε να αδειάσει το πορτοφόλι ενός χρήστη.

Ποιά blockchains έχουν ξεκινήσει να ασχολούνται με την αντιμετώπιση της κβαντικής υπολογιστικής; #

• Το Ethereum, το οποίο δημιούργησε το μεγαλύτερο κρυπτονόμισμα μετά το Bitcoin ως προς το market cap, έχει αρχίσει να χαράζει μια μετα-κβαντική πορεία. Ο Justin Drake, ερευνητής στο Ethereum Foundation, σχολίασε τις ιδέες κβαντικής αντίστασης στο Ethereum 3.0 στο συνέδριο StarkWare το 2019. Αυτό είναι πιθανότατα πολύ μακριά, ωστόσο, η τρέχουσα μετάβαση του Ethereum στο Ethereum 2.0 θα διαρκέσει ήδη αρκετό καιρό ακόμα.
• Μερικοί άνθρωποι χτίζουν μια νέα τεχνολογία κρυπτονομισμάτων και blockchain σχεδιασμένη για την εποχή των κβαντικών υπολογιστών. Αυτό περιλαμβάνει για παράδειγμα το Quantum Resistant Ledger. Αυτές οι προσπάθειες χρησιμοποιούν μετακβαντικούς αλγόριθμους για προστασία από μελλοντικό κβαντικό cracking.
• Η Cambridge Quantum Computing, μια startup σε συνδυασμό με την εταιρεία κατασκευής κβαντικών υπολογιστών Honeywell, εργάζεται πάνω σε τεχνολογία κβαντικής ασφάλειας που «μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε δίκτυο blockchain». Στοχεύει στην ασφάλεια τόσο της επικοινωνίας μεταξύ των υπολογιστών που αποθηκεύουν δεδομένα blockchain όσο και των υπογραφών που χρησιμοποιούνται για την κρυπτογράφηση και την υπογραφή των blockchain δεδομένων.
• Το Hyperledger Foundation, ένα λογισμικό ανοιχτού κώδικα που είναι προσανατολισμένο για επιχειρηματικές χρήσεις του blockchain, έχει αρχίσει να εργάζεται στη μετακβαντική κρυπτογραφία μέσω της προσπάθειάς του στο Ursa, λέει η Daniela Barbosa, εκτελεστική διευθύντρια της Hyperledger. Το Ursa είναι μια βιβλιοθήκη κρυπτογραφικού λογισμικού που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα έργα του Hyperledger.

Ωστόσο, ένα πρόβλημα με τους αλγόριθμους μετακβαντικής κρυπτογραφίας που εξετάζονται μέχρι στιγμής, είναι ότι γενικά χρειάζονται μεγαλύτερα αριθμητικά κλειδιά κρυπτογράφησης και μεγαλύτερους χρόνους επεξεργασίας, λέει ο Peter Chapman, Διευθύνων Σύμβουλος της εταιρείας κατασκευής κβαντικών υπολογιστών IonQ. Αυτό θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά την ποσότητα της υπολογιστικής ισχύος που απαιτείται για τα blockchains.

Σε συνέχεια αυτού του άρθρου για όσους θέλουν να μάθουν περισσότερα για την κβαντική κρυπτογραφία θα ακολουθήσει άρθρο για τα κρυπτονομίσματα που βασίζονται και λειτουργούν με κβαντική τεχνολογία.

Πηγές: plixer.com, wikipedia.org, forbes.com, cnet.com