آیا محاسبات کوانتومی بر امنیت اینترنت تأثیر خواهد گذاشت؟

مدتی قبل مقاله‌ای در ارتباط با محاسبات کوانتومی توسط یکی از محققین گوگل که ادعای شگفت‌انگیزی کرده بود، در وب‌سایت ناسا منتشر شد و سپس فوراً از روی وب‌سایت برداشته شد. نظریه‌پردازان توطئه معتقد بودند که ممکن است مسائلی شرورانه در ارتباط با آژانس امنیت ملی در جریان باشد. به عقیده روحانیون، این کار سوءظن آن‌ها در مورد پدیده کوانتوم را تصدیق می‌کرد (چیزی که در مقاله "شرودینگر" به وضوح به آن پرداخته شده است). به نظر عده‌ای دیگر این اتفاق تنها به دلیل انتشار زودهنگام این مقاله بوده است و قبل از انتشار آن برروی وب‌سایت، مقاله برای چاپ در یک مجله علمی در نظر گرفته شده بود.
ولی چرا ادعای مقاله شگفت‌آور بود؟ طبق خبر فایننشال تایمز، به این خاطر که این مقاله اظهار داشت محاسباتی را که کامپیوترهای فوق پیشرفته موجود تقریباً در 10 هزار سال انجام می‌دهند، کامپیوتر کوانتومی ساخته شده توسط گوگل در سه دقیقه و 20 ثانیه انجام می‌دهد. در صورت صحت این امر مسئله مهمی پیش‌رو خواهد بود. این سؤال پیش می‌آید که محققین چگونه درستی محاسبات انجام شده توسط ماشین کوانتوم را بررسی کرده‌اند؟
کامپیوتر کوانتومی چیزی است که پدیده‌های فیزیک کوانتوم را تحت کنترل درمی‌آورد. فیزیک کوانتوم مربوط به مطالعه رفتار ذرات زیراتمی است که یکی از برجسته‌ترین تخصص‌هایی است که انسان به آن دست یافته است. همه ما به دنیای تحت حاکمیت فیزیک نیوتنی عادت کرده‌ایم و آن را درک می‌کنیم. فیزیک نیوتنی رفتار ملموس اشیا مثل توپ‌های بیلیارد، سیارات و سقوط سیب‌ها را بیان می‌کند. اما واضح است که قوانین نیوتن برای ذرات زیراتمی کاربردی نخواهد داشت. نظریه کوانتوم برای بیان اتفاقاتی است که در آن فضای عجیب رخ می‌دهد. اصطلاح معقولانه برای آنچه که اتفاق می‌افتد عبارت است از "ضدشهودی" و اصطلاح کمتر عقلانی برای آن "عجیب و خارق‌العاده" است. برای مثال، در وضعیت‌های قطعی نظریه کوانتوم می‌گوید رفتار دو ذره زیراتمی با یکدیگر پیوند خورده است، حتی اگر یکی از آن‌ها در سمت دیگری از کهکشان باشد. این پدیده درهم‌تنیدگی نامیده می‌شود. اصل دیگری می‌گوید یک ذره می‌تواند در یک زمان در دو حالت مختلف باشد - همان‌گونه که گربه خیالی شرودینگر همزمان هم زنده بود و هم مرده. این حالت به اصطلاح ابرگزیدگی یا سوپرپوزیشن نامیده می‌شود.
سوپرپوزیشن در قلب محاسبات کوانتومی قرار دارد. کامپیوترهای متداول برپایه بیت کار می‌کنند که می‌تواند صفر یا یک باشد. در حالی‌که کامپیوترهای کوانتومی با کیوبیت یا بیت کوانتومی کار می‌کنند و مقادیر آن می‌تواند صفر، یک و یا هر دو باشد. بنابراین دو کیوبیت همزمان چهار حالت را با یکدیگر ایجاد می‌کنند (00، 01، 10 و 11). به عبارت دیگر، 100 کیوبیت حدوداً 1.3 کوآدریلیون به توان دو (هر کوآدریلیون معادل 10¹⁵ است) حالت ایجاد می‌کنند. این یعنی یک کامپیوتر کوانتومی در انجام برخی از انواع محاسبات، از کامپیوترهای کلاسیک که مجبورند با بیت‌های دو حالته روشن یا خاموش دست و پنجه نرم کنند، بسیار سریع‌تر و کاراتر عمل خواهد کرد. به این صورت ممکن است ماشین مرموز گوگل در عمل مدلی از برتری کوانتومی را ارائه کند.
اهمیت این موضوع به چه دلیل است؟ به این دلیل است که امنیت جهان شبکه‌ای متکی به رمزنگاری با کلید عمومی است – رمزگذاری برای محافظت از داده‌های حساس و ارتباطات. هسته این راه‌کار بر مبنای این واقعیت است که فاکتور گرفتن اعداد خیلی بزرگ زمان‌بر است. در سال 2016، بازگشایی پیامی که با یک کلید 768 بیتی رمزنگاری شده بود با کمک چند صد کامپیوتر دو سال طول کشید. همین فرآیند برای پیامی که با کلید 1024 بیتی رمزگذاری شده باشد 1000 برابر بیشتر خواهد بود. به این ترتیب فرآیند رمزگشایی، زمانی‌که از کلیدهای 4096 بیتی فوق استاندارد فعلی استفاده شده باشد، بیشتر از عمر کره زمین طول خواهد کشید. بنابراین امنیت متکی بر سرعت کامپیوتر‌ها خواهد بود.
در اصل برای کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس صنعتی، این مفاهیم مضحک است – اما تاکنون در حد یک نظریه است. همانطور که Scott Aaronson یکی از افراد پیشرو در این زمینه در پستی در وب‌لاگ خود اظهار داشته است، در عمل برتری کوانتومی یک راه طولانی است. او می‌گوید دو مانع بزرگ وجود دارد. اولین مانع این است که ماشین کوانتوم برای غلبه‌بر روش‌های رمزگذاری فعلی به چندین هزار کیوبیت منطقی نیاز دارد. با کمک روش‌های تصحیح خطای شناخته شده، کیوبیت‌ها به سادگی به میلیون‌ها کیوبیت فیزیکی تبدیل می‌شوند و احتمالاً نسبت به کیوبیت‌های موجود کیفیت بالاتری دارند. هنوز کسی به این شیوه دست نیافته است و مشخص نیست چقدر طول بکشد.
مسئله بعدی این است که ماشین‌های کوانتوم تنها قادرند برخی از کدها و نه تمام کدهای ممکن را بازگشایی کنند.کدهای کلید عمومی که قابل حمله هستند اغلب برای امنیت تراکنش‌های آنلاین و محافظت از داده‌ها استفاده می‌شوند. در حالی‌که، رمزنگاری با کلیدهای خصوصی هنوز حمله‌پذیر نیست. محققین در تلاشند به نوع جدیدی از رمزنگاری با کلید عمومی دست یابند تا کسی نتواند آن‌ها را رمزگشایی کند.
زمانی که مقاله گوگل منتشر شود، از جهات مختلفی جالب توجه خواهد بود، نه تنها به این جهت که صحه‌ای برای ساخت ماشین 53 کیوبیتی توسط محققین خواهد بود. اما اگر نشانه آخرالزمان رمزنگاری باشد احتمالاً ناامیدکننده خواهد بود. در بهترین حالت، اثبات مفهوم خواهد بود و در بدترین حالت، یک قناری در معدن رمزنگاری[1] خواهد بود.

---