کامپیوترهای کوانتومی

تقریباً هر دانش‌آموزی می‌داند که برخی اعمال ریاضی از برخی دیگر دشوارترند. این موضوع در کلاس درس آزاردهنده اما در خارج از کلاس مفید است. به عنوان مثال دو عدد اول را در نظر بگیرید. حتی اگر این اعداد بسیار بزرگ باشند ضرب آنها در یکدیگر و به دست آوردن حاصل‌ضرب امری ساده است اما فرآیند معکوس یعنی تجزیه حاصل‌ضرب به اعداد اول تشکیل‌دهنده آن بسیار دشوار خواهد بود به ویژه اگر آن عدد بزرگ باشد.

تجزیه اعداد به عوامل اول آنها موضوعی رایج نیست اما ماهیت یک طرفه این مساله و مسائل مشابهی در ریاضیات مبنای رمزنگاری مدرن به شمار می‌رود. این‌گونه رمزنگاری کاربردهای فراوانی دارد و به عنوان مثال از اسرار دولتی و شرکتی دفاع، از جریان‌های مالی و سوابق پزشکی محافظت و صنعت دو تریلیون دلاری تجارت الکترونیکی را امکان‌پذیر می‌کند. بدون آن، جزئیات کارت‌های اعتباری، نقل و انتقالات بانکی، ای‌میل‌ها و سایر امور مشابه در اینترنت بدون محافظ می‌مانند و هر کس که علاقه‌مند به دیدن یا سرقت آنها باشد می‌تواند به آنها دسترسی پیدا کند.

با این حال هیچ‌کس از محکم بودن این بنیان مطمئن نیست. با وجود اینکه ریاضیدانان هنوز روش سریع برای حل مساله عامل اول پیدا نکرده‌اند هیچ‌کدام ادعا نمی‌کنند که چنین راه‌حلی وجود ندارد. از دیدگاه نظری، یکی از میلیون‌ها ریاضیدان حرفه‌ای یا مبتدی ممکن است همین فردا فرمولی را انتشار دهد که اسرار رمزنگاری اینترنتی و اکثر فعالیت‌های آن را برملا می‌سازد.

ارسال کوبیت‌ها (qubit)

در واقع اتفاقی شبیه به این قبلاً روی داده است. در سال ۱۹۹۴ پیتر شور (Peter Shor) ریاضیدانی که در آزمایشگاه بل (Bell) در آمریکا کار می‌کرد روشی سریع و موثر برای پیدا کردن عامل‌های اول یک عدد پیدا کرد. تنها مشکل آن است که روش او به نام الگوریتم شور برای اعداد بزرگ به یک کامپیوتر کوانتوم نیاز دارد. کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با دستگاه‌های معمولی برای انجام سریع برخی محاسبات خاص به مکانیک کوانتوم نیاز دارند. واحد بنیادی آنها کوبیت نمونه‌ای کوانتومی از صفر و یک‌هایی است که دستگاه‌های متعارف به کار می‌برند. با استفاده از پدیده‌های مکانیکی کوانتومی برهم‌نهی (superposition) و درهم‌تنیدگی (entanglement)، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برخی از اعمال ریاضیاتی را بسیار سریع‌تر از دستگاه‌های معمولی انجام دهند هرچند آن عمل بسیار پیچیده باشد. زمانی که دکتر شور کشف خود را انجام داد کامپیوترهای کوانتومی موضوعی علمی-تخیلی بودند اما پژوهشگران آی‌بی‌ام (IBM) در سال ۲۰۰۱ اعلام کردند کامپیوتری ساخته‌اند که با الگوریتم شور برنامه‌ریزی می‌شود و می‌تواند عامل‌های اول عدد ۱۵ یعنی ۳ و ۵ را به دست آورد. این کامپیوتر ابتدایی‌ترین نوع قابل ‌تصور کامپیوتر کوانتومی بود اما از آن زمان پیشرفت‌های مداومی حاصل شده است. علی‌بابا، آلفابت، آی‌بی‌ام، مایکروسافت و دیگر بنگاه‌های مشابه تلاش می‌کنند نمونه‌های تجاری آن را بسازند و دولت‌های آمریکا و چین از پژوهش در این زمینه حمایت مالی به عمل می‌آورند. کامپیوترهای کوانتومی بزرگ در زمینه‌های هوش مصنوعی و شیمی کاربرد دارند. اما تهدیدی که از جانب الگوریتم شور به وجود می‌آید بیشترین توجه را به خود جلب می‌کند. شاید سازمان‌های بزرگ بتوانند با استفاده از رمزنگاری کوانتومی مشکل خود را حل کنند. به این صورت سارقان و جاسوسان کاملاً شناسایی می‌شوند اما این روش آزمایشی، پرهزینه و برای اینترنت نامناسب است چراکه به یک شبکه خاص و انحصاری نیاز دارد. بنابراین، برای اکثر مردم تنها امید به دور زدن الگوریتم شور آن است که روش یک‌طرفه ریاضی پیدا کنند که راه را بر روی کامپیوترهای کوانتومی ببندد. روش‌هایی به این منظور پیشنهاد شده‌اند اما تبدیل یک موضوع ریاضی به یک کد کامپیوتری و سپس استفاده از آن در میلیاردها میلیارد دستگاه به نوعی به‌روزرسانی بسیار دشوار و زمان‌بر نیاز دارد. سوال اینجاست: تا چه وقت مهلت داریم؟ کامپیوتری که بتواند اینترنت را بشکند چه موقع ساخته می‌شود؟ بهترین دستگاه‌های امروزی فقط می‌توانند با چند کوبیت کار کنند. برایان لاماسیا (Brian LaMacchia) رئیس تیم امنیت و رمزنگاری در مایکروسافت عقیده دارد یک کامپیوتر کوانتومی که از نظر رمزنگاری مهم باشد می‌تواند بین هزار تا ده‌هزار کوبیت را به کار گیرد. پیش‌بینی میزان پیشرفت دشوار است اما دکتر لاماسیا می‌گوید چنین دستگاهی ممکن است که در سال‌های ۲۰۳۰ تا ۲۰۴۰ ساخته شود. این زمان به اندازه کافی دور به نظر می‌رسد اما پژوهشگران می‌گویند نباید تعلل کرد. با وجود آنکه بسیاری از ارتباطات کوتاه‌مدت هستند برخی افراد پیام‌ها را رمزنگاری می‌کنند به این امید که تا مدتی طولانی سری بمانند. جاسوسان و پلیس‌ها در سراسر جهان انبوهی از داده‌های آنلاین را ذخیره می‌کنند با این امید که روزی در آینده آنها را رمزگشایی کنند. پیتر شواب (Peter Schwabe) از دانشگاه رادبود (Radboud) هلند می‌گوید اگر کسی ۱۰ یا ۲۰ سال دیگر بتواند مکاتبات امروز من با بانک را رمزگشایی کند برایم مهم نخواهد بود اما اگر من یک مخالف دولت در کشوری سرکوبگر باشم و با دیگر مخالفان گفت‌وگو کنم موضوع فرق می‌کند.

سوال دوم آن است که فرآیند ترمیم چقدر زمان می‌برد. موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) یک سازمان آمریکایی است که اکثر نهادهای جهانی از رهنمودهای آن پیروی می‌کنند. این سازمان مسابقه‌ای را برای بهترین پیشنهاد در زمینه مقابله با کوانتوم به راه انداخت اما  نتایج آن تا سال ۲۰۲۴ افشا نمی‌شوند. علاوه بر این، حتی وقتی یک استاندارد جدید پذیرفته می‌شود به‌روزرسانی و ارتقای دستگاه‌ها بسیار کند انجام می‌گیرد. اینترنت همانند شهرهای باستانی مانند رم و استانبول است که در آن ساختارهای مدرن بر روی لایه‌های قدیمی فراموش‌شده قرار می‌گیرند.

آزمون و باز هم آزمون

شرکت‌های بزرگی که بخش اعظم شبکه اینترنت را در اختیار دارند بهتر از همه می‌توانند امور را پیش ببرند. حتی زمانی که موسسه ملی استاندارد و فناوری با جدیت پیگیر است آنها آزمون‌های خودشان را انجام می‌دهند. دکتر لاماسیا در مایکروسافت قصد دارد رمزنگاری‌های مقاوم در برابر کوانتوم را بر روی پیوندهایی انجام دهد که مراکز داده‌های بنگاه را به یکدیگر مرتبط می‌سازند. گوگل انواع مختلف رمزنگاری‌های مقاوم در برابر کوانتوم را در نسخه آزمایشی کروم امتحان کرد و با شرکت زیرساختاری کلودفر (Cloudflare) در زمینه بررسی تاثیرات آن در جهان واقعی کار می‌کند.

نتایج اکثراً امیدوارکننده‌اند اما در مجموع کافی نیستند. تغییر رمزنگاری شیوه ارتباط مرورگرها با وب‌سایت‌ها را عوض می‌کند. علاوه بر این، تمامی طرح‌های پیشنهادی مقابله با کوانتوم در مقایسه با رمزنگاری‌های صنعتی سنتی با تاخیر فراوان همراه هستند. بنگاه‌های بزرگ از جهاتی دیگر نیز قدرت دارند. کامپیوترهای کوانتومی به مراقبت زیادی نیاز دارند و اکثر آنها باید تا حد صفر مطلق سرد شوند. این بدان معناست که در آینده قابل پیش‌بینی حق دسترسی به آنها فقط از طریق خرید یک خدمت رایانش ابری امکان‌پذیر خواهد بود و کاربران زمان استفاده را از مالکان کامپیوتر اجاره می‌کنند. در این صورت شرکت‌ها می‌توانند قبل از اجرای یک کد آن را بازبینی کنند و جلوی کاربران آسیب‌رسان را بگیرند (دولت‌ها مجبور می‌شوند کامپیوترهای خود را داشته باشند).

نقاط ضعف دیگری نیز وجود دارد. طرح‌های جدید رمزنگاری به ظرفیت رایانش بیشتر نیاز دارند. این امر برای کامپیوترهای شخصی و تلفن‌های هوشمند مشکلی ایجاد نمی‌کند اما تراشه‌های کوچک در اسباب‌بازی‌ها و سامانه‌های کنترل صنعتی و حس‌گرها دچار مشکل می‌شوند. موضوع دیگر آن است که احتمال دارد الگوریتم‌های جدید خود نقاط ضعف پیش‌بینی‌نشده داشته باشند. به همین دلیل، اولین کاربردهای آنها در دستگاه‌هایی خواهد بود که همزمان از دو روش جدید و قدیم رمزنگاری استفاده می‌کنند. همه اینها بدان معناست که مقاوم‌سازی اینترنت در برابر کوانتوم پرهزینه، زمان‌بر و احتمالاً ناتمام خواهد بود. در گذشته به خاطر تلاش هزاران برنامه‌نویس این‌گونه تحولات آسان‌تر انجام می‌شد اما امروزه امور دشوارتر شده‌اند. جهان در مقایسه با گذشته به شدت به کامپیوتر وابسته شده است، بنابراین رمزنگاران روزهای پرکاری را پیش رو خواهند داشت.