FHE و تهدید کوانتومی: چرا رمزگذاری همومورفیک برای دوران پس از کوانتوم ایجاد شد؟

بیت کوین‌داران مدت‌هاست که در مورد انواع رویدادهای قو سیاه که می‌تواند شبکه ارزهای دیجیتال را فلج کرده و آن را غیرقابل استفاده کند، نظریه‌پردازی کرده‌اند. سناریوهای ارائه شده طیف وسیعی از آخرالزمان هسته ای تا شکست فاجعه بار اینترنت را شامل می شود. البته هر دوی اینها به روش های ملموس تری بر بشریت تأثیر می گذارد تا اینکه صرفاً توانایی آنها در انجام معاملات زنجیره ای باشد.

یکی از بزرگترین تهدیداتی که پیش‌بینی شده و اکنون به طور معمول مورد بحث قرار می‌گیرد، مربوط به طیف محاسبات کوانتومی است. کارشناسان روز رستاخیز هشدار می‌دهند که زمانی که ماشین‌های کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند وارد شوند، رمزنگاری ممکن است یک شبه از بین برود و نه تنها بر بیت‌کوین، بلکه بیشتر بلاک چین‌ها و همچنین بانکداری سنتی و امنیت وب را تحت تأثیر قرار دهد.

دلیل اینکه این ترس حتی بدون قوهای سیاه دیگر (مثلاً فناوری بیگانه یا فعال شدن مجدد 1 میلیون بیت کوین خفته ساتوشی) جایگاه خود را به دست آورده است، این است که تهدید کوانتومی شانس واقعی برای وقوع دارد. در واقع، خیلی ها می گویند که این امر اجتناب ناپذیر است و این فقط این است که چه زمانی خواهد آمد.

آیا ما سال ها صحبت می کنیم یا دهه ها؟ اگر دومی باشد، زمان کافی برای انتقال جهان به سیستم‌های ضد کوانتومی وجود دارد. اگر اولی باشد، ما در هیوستون مشکل داریم. به همین دلیل منطقی است که اکنون این کار را به تعویق بیندازیم تا دنیا در آن روز آماده شود و راه حل هایی را برای جلوگیری از به خطر افتادن دارایی های دیجیتال و دفتر کل توزیع شده ای که بر اساس آنها اجرا می شود، اجرا کند.

در نتیجه، محققان به طور فزاینده ای به سیستم های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی توجه می کنند که به آنها اجازه می دهد حتی در دنیایی که رایانه های کوانتومی وجود دارند، ایمن بمانند. رمزگذاری کاملا هممورفیک (FHE) کاملاً در این دسته قرار می گیرد. این یکی از دلایل کلیدی است که چرا Web3 و محاسبات سنتی توجه فزاینده ای را به خود جلب می کنند.

برای درک دلیل، ما باید تهدید کوانتومی را کشف کنیم و بررسی کنیم که چگونه ریاضیات زیربنایی FHE با رمزنگاری که امروزه بیشتر بلاک چین ها بر اساس آن هستند، متفاوت است.

مشکل محاسبات کوانتومی

اکثر مردم درک عمیقی از محاسبات کوانتومی ندارند. این با توجه به پیچیدگی آن تعجب آور نیست. اما آنها اهمیت تهدیدی را که این موضوع ارائه می دهد را درک می کنند. همانطور که احتمالاً می دانید، رایانه های سنتی اطلاعات را به صورت بیت هایی پردازش می کنند که در یکی از دو حالت (0 یا 1) قرار دارند. کامپیوترهای کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که می‌توانند همزمان در بیش از یک حالت وجود داشته باشند و این به لطف خاصیت برهم‌نهی شناخته می‌شود.

بدون عمیق شدن بیش از حد به سوراخ خرگوش فیزیک، آنچه در عمل به این معنی است این است که برخی از مسائلی که برای رایانه‌های کلاسیک هزاران یا میلیون‌ها سال طول می‌کشد، از نظر تئوری می‌توانند در یک ماشین کوانتومی خیلی سریع‌تر حل شوند. این مهم است زیرا بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری پرکاربرد مبتنی بر مسائل ریاضی هستند که محاسبه آنها در یک جهت آسان است، اما معکوس کردن آنها بسیار دشوار است.

دو نمونه از برجسته‌ترین نمونه‌ها رمزگذاری RSA، بر اساس دشواری فاکتورگیری اعداد اول بزرگ، و رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC)، بر اساس دشواری حل مسائل لگاریتمی گسسته است. هر دوی اینها در برابر الگوریتم کوانتومی معروف به الگوریتم Shor آسیب‌پذیر هستند، که می‌تواند به طور موثر مشکلات ریاضی را که آنها را ایمن می‌کند حل کند، و ECC به‌ویژه با بلاک چین مرتبط است زیرا ستون فقرات اکثر امنیت کیف پول‌های رمزنگاری را تشکیل می‌دهد.

چرا بلاک چین می تواند آسیب پذیر باشد؟

در اکثر شبکه های بلاک چین، کنترل وجوه در نهایت به داشتن یک کلید خصوصی خلاصه می شود. هنگامی که یک تراکنش را ارسال می کنید، شبکه با بررسی امضای دیجیتالی که از رمزگذاری منحنی بیضوی به دست می آید، تأیید می کند که شما صاحب آن کلید هستید. تحت مفروضات محاسباتی کلاسیک، استخراج کلید خصوصی از کلید عمومی از نظر محاسباتی غیرممکن است.

با این حال، با سخت افزار کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند که الگوریتم Shor را اجرا می کند، این معادله تغییر می کند. یک مهاجم کوانتومی از نظر تئوری می‌تواند کلید خصوصی را از کلید عمومی استخراج کند، در نتیجه امضاها را جعل کرده و کیف پول‌ها را خالی می‌کند.

این لزوما به این معنی نیست که تهدید قریب الوقوع است. کامپیوترهای کوانتومی کنونی برای انجام این حملات در مقیاس بسیار کوچک و مستعد خطا هستند. اما رمزنگاری در یک افق بلندمدت کار می‌کند و دارایی‌های ذخیره‌شده در بلاک چین امروز باید برای دهه‌ها در آینده امن باقی بماند. که ما را به FHE برمی گرداند.

چرا FHE به طور طبیعی کوانتومی مقاوم است؟

رمزگذاری کاملاً هممورفیک به شکل متفاوتی ساخته شده است. این به این دلیل است که اکثر برنامه های کاربردی مدرن FHE بر رمزنگاری مبتنی بر شبکه تکیه می کنند، که بر دشواری حل مسائل مربوط به ساختارهای هندسی با ابعاد بالا به نام شبکه تکیه دارد.

به عبارت ساده، چالش شامل حل سیستم های بزرگ معادلات است که حاوی مقادیر کمی نویز یا تصادفی هستند. برای کامپیوترهای کلاسیک بسیار دشوار است که این مسائل را به طور موثر حل کنند، و – به طور بحرانی – هیچ الگوریتم کوانتومی شناخته شده ای نمی تواند آنها را با سرعت قابل توجهی حل کند.

این امر سیستم های مبتنی بر شبکه را در میان نامزدهای پیشرو برای رمزنگاری پس کوانتومی قرار می دهد و سازمان هایی مانند مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) الگوریتم های مختلف مبتنی بر شبکه را به عنوان استانداردهای رمزگذاری آینده انتخاب کرده اند.

از آنجایی که بیشتر طرح‌های FHE بر پایه‌های ریاضی یکسان ساخته شده‌اند، مقاومت یکسانی در برابر حملات کوانتومی به ارث می‌برند. به عبارت دیگر، FHE در ابتدا به عنوان یک مکانیسم دفاعی کوانتومی طراحی نشده بود، اما ریاضیاتی که بر اساس آن است، مطابق با جهتی است که رمزنگاری پس کوانتومی در آن حرکت می کند.

این برای بلاک چین چه معنایی دارد؟

انعطاف‌پذیری کوانتومی به‌ویژه برای سیستم‌های بلاک چین مهم است، زیرا آن‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که زیرساخت انعطاف‌پذیر باشند. ما نمی دانیم که بیت کوین در 20 سال آینده چقدر خواهد بود، اما می خواهیم اطمینان داشته باشیم که ارزش دارد و بنابراین ارزش نگهداری را به عنوان یک سرمایه گذاری بلندمدت و در نهایت به نوه هایمان به ارث می برد.

این دلیل دیگری است که چرا در حال حاضر مهم است که محاسبات کوانتومی را در نظر بگیریم. در این مرحله، شایان ذکر است که بلاک چین ها نمی توانند یک شبه جایگزین سیستم های رمزنگاری شوند. مفروضات امنیتی در همه چیز از مکانیسم های اجماع گرفته تا معماری کیف پول تعبیه شده است.

اگر یک رمزنگاری بدوی پرکاربرد آسیب‌پذیر شود، مهاجرت کل یک اکوسیستم بلاک چین – همانطور که بان می‌گوید – بسیار دردناک خواهد بود. به همین دلیل است که صنعت شروع به احاطه کردن FHE کرد.

از آنجایی که FHE امکان محاسبه بر روی داده‌های رمزگذاری شده را می‌دهد و مبتنی بر ریاضیات مقاوم در برابر کوانتومی است، مسیری را برای سیستم‌های بلاک چین حفظ حریم خصوصی ارائه می‌دهد که همچنین پسا کوانتومی ایمن هستند. این به ویژه برای برنامه هایی که حاوی داده های مالی حساس هستند صادق است.

نقش FHE در DeFi خصوصی

یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای FHE در بلاک چین امروزی، تامین مالی غیرمتمرکز رمزگذاری شده است. البته، بلاک چین های عمومی از نظر طراحی شفاف هستند، و در حالی که این شفافیت برای راستی آزمایی ارزشمند است، مشکلاتی را در بازارهای مالی ایجاد می کند که در آن استراتژی ها و موجودی کیف پول برای عموم قابل مشاهده است.

رمزنگاری کاملاً هممورفیک این مشکل را با اجازه دادن به قراردادهای هوشمند بر روی ترازهای رمزگذاری شده حل می کند. به عنوان مثال، یک پروتکل وام می تواند تأیید کند که وام گیرنده وثیقه کافی برای تضمین وام را بدون فاش کردن مبلغ دقیق دارد، و آستانه انحلال می تواند مخفی بماند و از هدف قرار دادن موقعیت های حساس سرمایه گذاران جلوگیری کند. مدل‌های وام‌دهی رمزگذاری‌شده ساخته شده بر روی FHE نشان می‌دهد که چگونه قراردادهای هوشمند می‌توانند قوانین مالی را اجرا کنند و در عین حال اطلاعات حساس را خصوصی نگه دارند.

در این زمینه، FHE دو مزیت را به طور همزمان ارائه می دهد: ترکیب محرمانه بودن با استحکام رمزنگاری طولانی مدت.

یک مدل رمزگذاری آماده آینده

ظهور محاسبات کوانتومی، رمزنگاران را مجبور کرده است تا در مفروضاتی که امنیت مدرن را تشکیل می‌دهند، تجدید نظر کنند. به نظر می رسد اجتناب ناپذیر است که فناوری های ساخته شده بر پایه های رمزنگاری کلاسیک ممکن است در نهایت نیاز به جایگزینی داشته باشند. این می تواند به آرامی اتفاق بیفتد یا ممکن است یک شبه به دلیل پیشرفت ناگهانی محاسبات کوانتومی اتفاق بیفتد.

نکته مهم این است که وقتی این اتفاق می‌افتد، ما به جای تلاش برای راه‌حل، آماده و آماده هستیم. در این مرحله ممکن است خیلی دیر باشد. ما نمی دانیم که دوران پیش کوانتومی چقدر طول خواهد کشید. اما ما می دانیم که هر دوره ای در نهایت می گذرد و زمانی که دوران پیش کوانتومی رخ می دهد، بلاک چین های محافظت شده توسط رمزگذاری کاملاً همومورفیک دست نخورده باقی می مانند و ضمانت های امنیتی آنها دست نخورده باقی می ماند.

FHE برای بسیاری از چیزها مفید است، از جمله اطمینان از حفظ حریم خصوصی در زنجیره در اینجا و اکنون. اما در برخی مواقع، ارزش اصلی آن ممکن است دفاع باشد، تضمین می‌کند که بلاک چین در برابر حملات قدرتمندترین رایانه‌هایی که تاکنون طراحی شده‌اند مصون بماند.