مروری بر تهدیدات پسا کوانتومی برای ارزهای دیجیتال با الگوریتم اجماع اثبات کار

الگوریتم اثبات کار (PoW)، یک مکانیسم اجماع غیرمتمرکز است که با نیاز به گره‌ها برای صرف انرژی و رقابت با یکدیگر برای حل چالش‌های پیچیده ریاضی برای اضافه کردن بلوک‌ها به زنجیره و دریافت پاداش، یک زنجیره بلوکی را ایمن می‌کند.

PoW همچنین از گره‌های شبکه می‌خواهد که در مورد صحیح بودن عناصر شبکه، مانند موجودی حساب و ترتیب تراکنش‌ها، به اجماع برسند.

مشکلات ریاضی حل گره‌های شبکه بیت کوین نیازمند تعداد قابل توجهی محاسبات است و ماینرها اغلب مجبورند سخت افزار مدار مجتمع ویژه برنامه (ASIC) را برای همگام شدن با گره های دیگر در یک شبکه PoW مستقر کنند. حتی با ASICها، به دست آوردن کنترل اکثریت شبکه و اجرای یک حمله 51 درصدی برای اعتبارسنجی تراکنش‌های نامعتبر به مقدار قابل توجهی از قدرت محاسباتی نیاز دارد.

با این حال، با معرفی فناوری‌های محاسباتی کوانتومی، نگرانی فزاینده‌ای وجود دارد که زیربنای رمزنگاری فناوری بلاک‌چین، از جمله بیت‌کوین، مختل شود. رایانه‌های کوانتومی ممکن است بتوانند به روش‌های رمزنگاری مرسوم، مانند روش‌هایی که در روش اعتبارسنجی تراکنش‌های بیت‌کوین استفاده می‌شوند، حمله کنند. 

به طور خاص، در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند مسائل پیچیده ریاضی مانند لگاریتم‌های گسسته و فاکتورسازی اعداد صحیح را با سرعتی نمایی سریع‌تر حل کنند. ظهور محاسبات کوانتومی یک تهدید پسا کوانتومی برای امنیت بیت کوین است.

اگر یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی قوی ساخته شود، ممکن است یکپارچگی رمزنگاری الگوریتم‌هایی را که زیربنای بیت کوین هستند به خطر بیندازد. این می‌تواند به هکرها اجازه دهد حملاتی را انجام دهند که قبلا غیرممکن تلقی می‌شد، مانند حمله 51٪ درصد با کار محاسباتی کمتر از آنچه در حال حاضر مورد نیاز است.

محاسبات پس کوانتومی چیست؟

محاسبات پس کوانتومی به دورانی اشاره دارد که توسعه و استقرار رایانه‌های کوانتومی را دنبال می‌کند که پتانسیل حل چالش‌های محاسباتی را دارند که در حال حاضر تصور می‌شود فراتر از قابلیت‌های رایانه‌های کلاسیک است. این شامل فعالیت هایی مانند شبیه سازی سیستم های کوانتومی، فاکتورگیری اعداد بزرگ و حل مسائل خاص بهینه سازی می شود.  

محاسبات کوانتومی اساساً با محاسبات کلاسیک متکی است که بر بیت‌هایی متکی است که می‌توانند 0 یا 1 را نشان دهند. در عوض، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها در محاسبات کوانتومی استفاده می‌شوند. با توجه به اصول برهم نهی و درهم تنیدگی، کیوبیت‌ها می‌توانند 0، 1 یا هر دو را به طور همزمان نشان دهند.

پیامدهای محاسبات کوانتومی بر روی PoW یکی از بزرگترین تهدیدات ورودی برای کارایی و اثربخشی بلاکچین و رمزنگاری بلاکچین در نظر گرفته می‌شود. 

در عصر محاسبات پسا کوانتومی، الگوریتم‌های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی برای مقاومت در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی و تضمین امنیت اطلاعات حساس در دنیای پسا کوانتومی توسعه خواهند یافت.

چگونه کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند به بیت کوین حمله کنند؟

رمزنگاری رشته‌ای در ریاضیات است که بر امنیت ارتباطات و داده‌ها تمرکز می‌کند و برای ارزهای رمزپایه PoW مانند BTC ضروری است. بلاک چین بیت کوین از رمزنگاری قدرتمند استفاده می کند تا اطمینان حاصل کند که مدل انتقال پول غیرمتمرکز آن در طول تراکنش های همتا به همتا قابل اعتماد، خصوصی و ایمن باقی می ماند. با این حال، رایانه‌های کوانتومی ممکن است با استقرار ماشین‌ها و الگوریتم‌هایی قدرتمند به آن حمله کنند تا سپرهای رمزنگاری آن را بشکنند. 

بیت کوین از رمزگذاری نامتقارن (همچنین به عنوان رمزنگاری کلید عمومی شناخته می شود) استفاده می کند که از دو کلید مختلف استفاده می کند: عمومی و خصوصی. کلید عمومی برای رمزگذاری داده ها یا در مورد بیت کوین برای ایجاد یک آدرس بیت کوین که در آن می توان وجوه دریافت کرد استفاده می شود. با این حال، کلید خصوصی برای رمزگشایی یا امضای تراکنش ها استفاده می شود. کلید خصوصی مالکیت وجوه را اثبات می کند و تراکنش ها را مجاز می کند و به آنها اجازه می دهد تا به طور ایمن به بلاک چین اضافه شوند.

مهم ترین راه هایی که بیت کوین از رمزنگاری استفاده می کند، امضای دیجیتال و توابع هش است. با این حال، هر دوی اینها به طور بالقوه از طریق محاسبات کوانتومی قابل شکستن هستند. 

امضای دیجیتال

الگوریتم امضای دیجیتال منحنی بیضی (ECDSA) برای امضای دیجیتال به کاربران این امکان را می‌دهد تا بررسی کنند که چه کسی دارای آدرس بیت کوین است و تراکنش ها را تأیید می‌کند. اگر کامپیوترهای کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند شوند، ممکن است بتوانند ECDSA را با استفاده از تکنیک‌هایی مانند الگوریتم Shor شکست دهند، که ممکن است از نظر تئوری مشکل لگاریتم گسسته – پایه امنیت ECDSA – را در زمان چند جمله‌ای  حل کند.

الگوریتم Schor روی هم قرار داده شده قدرتمند می‌تواند بر روی یک ماشین کوانتومی اجرا شود و با استفاده از روش brute force، کلید خصوصی مرتبط با یک کلید عمومی را که با طرح رمزنگاری منحنی بیضی (ECC) پنهان شده است، تعیین کند و امضای دیجیتال را باطل کند. 

توابع هش

توابع هش رمزنگاری، یعنی SHA-256، توسط بیت کوین به روش‌های مختلفی از جمله فرآیند استخراج (PoW) و ایجاد آدرس‌ها با استفاده از کلیدهای عمومی استفاده می‌شود. امروزه توابع هش در برابر حملات کوانتومی نسبت به سیستم‌های رمزنگاری کلید عمومی مصونیت بیشتری دارند. 

با این حال، یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند ممکن است همچنان یک تهدید باشد، البته کمتر از امضای دیجیتال نگران کننده است. به عنوان مثال، الگوریتم گروور از نظر تئوری ممکن است بتواند جستجوی پیش‌تصویر یک تابع هش را تسریع کند. اما فقط یک سرعت درجه دوم را ارائه می دهد، به این معنی که اگر طول هش دو برابر شود، برای مثال، از 256 به 512 بیت، ممکن است تهدید کاهش یابد.

استراتژی‌های کاهش بالقوه برای مقابله با تهدیدات پسا کوانتومی در ارزهای دیجیتال اثبات کار

ایمن سازی PoW در برابر تهدیدات کوانتومی و توسعه امنیت بلاک چین پس کوانتومی ضروری شده است. چالش محاسبات کوانتومی بلاک چین، توسعه راه‌حل‌هایی است که می‌تواند آن را در برابر یک رایانه کوانتومی قدرتمند به اندازه کافی برای شکستن تمام اقدامات امنیتی رمزنگاری فعلی آن محافظت کند.

رمزارز ضد کوانتومی و مقاومت کوانتومی در بلاک چین ممکن است با تکنیک هایی مانند شبکه ها، ایزووژنی ها و کدها امکان پذیر باشد.

ایزوژنی ها

رمزنگاری مبتنی بر ایزووژنی تکاملی از ECC است و بر ارسال ایمن پیام‌های مخفی با استفاده از ویژگی‌های ریاضی منحنی‌های بیضوی تمرکز دارد. با این حال، لایه جدیدی از پیچیدگی را با استفاده از ایزووژن ها به جای نقاط روی منحنی ها، مانند ECC سنتی، معرفی می کند. 

رمزنگاری مبتنی بر ایزووژنی شبیه به این است که دو طرف با دست دادن مخفیانه در ملاء عام، با مشاهده هر حرکت، انجام می‌دهند، اما هیچ‌کس نمی‌تواند آن را تکرار کند. مانند رمزنگاری مبتنی بر شبکه، پیچیدگی آن دفاع احتمالی در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی را ارائه می‌کند و رمزنگاری مبتنی بر ایزووژنی را به گزینه‌ای مناسب برای رمزنگاری پس کوانتومی تبدیل می‌کند.

رمزنگاری مبتنی بر کد

رمزنگاری مبتنی بر کد بر اساس کد خطی کلی چالش برانگیز برای رمزگشایی است. این بر اساس ایجاد پازل با کد تصحیح خطا است که مجموعه ای از ابزارهای ریاضی است که برای تشخیص و تصحیح خطاها در انتقال داده ها استفاده می شود. به عنوان مثال، اگر پیامی که از طریق اینترنت ارسال می شود قبل از رسیدن به هدف خود خراب شود، از یک کد تصحیح خطا برای بازیابی دقیق آن استفاده می شود. 

در رمزنگاری مبتنی بر کد، رمزگشایی یک پیام برای هر کسی که کلید مناسبی دارد باید ساده باشد – اما برای هر کس دیگری چالش برانگیز باشد. رمزنگاری مبتنی بر کد دارای پتانسیل مقاومت کوانتومی در نظر گرفته می‌شود، زیرا رمزگشایی کد خطی تصادفی – اساس رمزنگاری مبتنی بر کد – به‌طور موثر توسط رایانه‌های کوانتومی بر اساس الگوریتم‌های فعلی، از جمله Shor’s و Grover’s قابل حل نیست.

تلاش‌های تحقیق و توسعه مداوم در رمزنگاری پس کوانتومی

در سال 2022، مؤسسه ملی استانداردها و فناوری وزارت بازرگانی ایالات متحده (NIST) اعلام کرد که اولین مجموعه از ابزارهای رمزگذاری طراحی شده برای مقاومت در برابر حملات ماشین‌های کوانتومی را انتخاب کرده است. چهار الگوریتم انتخاب شده به بخشی از استاندارد رمزنگاری پس کوانتومی NIST تبدیل خواهند شد که قرار است در سال 2024 نهایی شود. 

• مجموعه رمزنگاری برای شبکه های جبری یا CRYSTALS-Kyber: برای اهداف رمزگذاری عمومی، مانند ایمن سازی اتصالات بین مرورگرهای وب و سرورها ساخته شده است.
• مجموعه رمزنگاری برای شبکه های جبری یا کریستال-دیلیتیوم: برای جایگزینی طرح های امضای دیجیتال فعلی مانند ECDSA طراحی شده است.
• SPHINCS+: یک طرح امضای مبتنی بر هش بدون حالت که جایگزینی برای روش‌های امضای سنتی ارائه می‌کند و امنیت را بر اساس مسائل مختلف ریاضی ارائه می‌کند. 
• امضاهای فشرده مبتنی بر شبکه سریع فوریه یا FALCON: همچنین برای امضاهای دیجیتال (بر اساس رمزنگاری شبکه) طراحی شده است که به دلیل امضاهای فشرده و زمان های تأیید سریع معروف است.

آینده PoW در عصر کوانتومی

آینده ارزهای دیجیتال PoW در عصر کوانتومی موضوعی است که در جوامع رمزنگاری و بلاک چین مورد توجه و نگرانی است. دانشمندان دانشگاه ساسکس تخمین می زنند که یک سیستم کوانتومی با قابلیت استفاده از 13 میلیون کیوبیت می تواند الگوریتم های رمزنگاری (که بلاک چین بیت کوین را ایمن می کند) را در عرض 24 ساعت از بین ببرد. 

جزء ماینینگ PoW ممکن است تحت تأثیر محاسبات کوانتومی قرار گیرد. اگرچه تکنیک‌های کوانتومی، مانند الگوریتم گروور، می‌توانند استخراج را از طریق افزایش سرعت درجه دوم در جستجوی nonce که معیار PoW را برآورده می‌کند، تسریع بخشند، اختلال احتمالی در امنیت رمزنگاری بر این مزیت بیشتر است. با این وجود، ظرفیت پردازش مورد نیاز برای تأثیر قابل توجهی بر استخراج PoW هنوز در دسترس نیست.

برای محافظت از بلاک چین های PoW در برابر حملات کوانتومی آینده، جامعه بلاک چین به طور فعال در حال بررسی و ایجاد الگوریتم های رمزنگاری مقاوم در برابر حملات کوانتومی است. به عنوان مثال، QuEra، استارت آپی که توسط محققان سابق دانشگاه هاروارد و موسسه فناوری ماساچوست تأسیس شده است، نقشه راه فوق العاده جاه طلبانه ای را برای یک ماشین کوانتومی منتشر کرده است که قرار است به زودی منتشر شود. 

این شرکت قصد دارد تا سال 2026 یک کامپیوتر کوانتومی با 100 کیوبیت منطقی و 10000 کیوبیت فیزیکی منتشر کند. ادعا شده است که این دستگاه یک “مزیت کوانتومی عملی” نشان خواهد داد، به این معنی که این کامپیوتر قادر به انجام وظایفی است که کامپیوترهای مبتنی بر بیت امروزی انجام می دهند. نمی تواند.

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اندازه کوچک یا عدم وفاداری هنوز قادر به شکستن الگوریتم های رمزنگاری مانند الگوریتم های مورد استفاده در بیت کوین نیستند. این زمینه در حال پیشرفت است، اگرچه بسیاری از موانع فنی، مانند مدت زمان انسجام کیوبیت، نرخ خطا و موارد دیگر، هنوز حل نشده اند.