چرا رمزگذاری همومورفیک برای دوران پس از کوانتوم ساخته شده است؟

بیت کوین‌داران مدت‌هاست که نظریه‌پردازی کرده‌اند که چنین رویدادهای قو سیاه می‌تواند شبکه ارزهای دیجیتال را فلج کرده و آن را غیرقابل استفاده کند. سناریوهای فرضی از یک آخرالزمان هسته‌ای تا یک شکست فاجعه‌بار اینترنت را در بر می‌گیرد – که البته هر کدام از آنها به روش‌های ملموس‌تری بر بشریت تأثیر می‌گذارد تا صرفاً توانایی آن‌ها در انجام معاملات زنجیره‌ای.

یکی از بزرگترین تهدیدات پیش بینی شده، و تهدیدی که اکنون به طور معمول مورد بحث قرار می گیرد، مربوط به شبح محاسبات کوانتومی است. حامیان روز رستاخیز هشدار می‌دهند که وقتی ماشین‌های کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند وارد می‌شوند، رمزنگاری ممکن است یک شبه از بین برود و نه تنها بیت‌کوین، بلکه بیشتر بلاک‌چین‌ها و همچنین بانکداری سنتی و امنیت وب را تحت تأثیر قرار دهد.

دلیل گسترش این ترس در حالی که سایر قوهای سیاه – مثلاً فناوری بیگانه یا فعال شدن مجدد 1 میلیون بیت کوین نهفته ساتوشی – گسترش یافته است، این است که تهدید کوانتومی شانس واقعی تحقق دارد. در واقع، بسیاری می‌گویند که این امر اجتناب‌ناپذیر است و تنها موضوع این است که چه زمانی خواهد رسید.

آیا ما در مورد سال ها صحبت می کنیم یا دهه ها؟ اگر دومی باشد، زمان زیادی برای مهاجرت جهان به سیستم‌های ضد کوانتومی وجود دارد. اگر اولی باشد، پس هیوستون ما مشکل داریم. به همین دلیل منطقی است که اکنون آن را متوقف کنیم، تا زمانی که آن روز فرا می رسد، جهان آماده باشد و راه حل هایی برای جلوگیری از به خطر افتادن دارایی های دیجیتال و دفتر کل توزیع شده ای که روی آنها کار می کنند، داشته باشد.

در نتیجه، محققان به طور فزاینده‌ای توجه خود را به سیستم‌های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی معطوف می‌کنند و تضمین می‌کنند که حتی در دنیایی که رایانه‌های کوانتومی وجود دارند، امن می‌مانند. رمزگذاری کاملاً هممورفیک (FHE) به طور محکم در این دسته قرار می گیرد، که یکی از دلایل اصلی آن است که علاقه فزاینده ای را به Web3 و محاسبات سنتی جلب می کند.

برای درک دلیل، باید تهدید کوانتومی را باز کنیم و بررسی کنیم که چگونه ریاضیات اساسی FHE با رمزنگاری که امروزه اکثر بلاک چین ها به آن متکی هستند، متفاوت است.

مشکل محاسبات کوانتومی

اکثر مردم محاسبات کوانتومی را در سطح عمیق درک نمی کنند، که با توجه به پیچیدگی آن تعجب آور نیست. اما آنها اهمیت تهدیدی را که ایجاد می کند 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 وجود دارد. رایانه های کوانتومی از بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها استفاده می کنند که به لطف ویژگی معروف به برهم نهی می توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند.

بدون اینکه در حفره خرگوشی فیزیک زیاد پیش برویم، مفهوم عملی این است که برخی از مسائلی که حل آنها هزاران یا میلیون ها سال طول می کشد را کامپیوترهای کلاسیک می توانند از نظر تئوری خیلی سریعتر در ماشین کوانتومی حل کنند. این مهم است زیرا بسیاری از سیستم های رمزگذاری پرکاربرد به مسائل ریاضی بستگی دارند که محاسبه آنها در یک جهت آسان است اما معکوس کردن آنها بسیار دشوار است.

دو مورد از مهم‌ترین مثال‌ها رمزگذاری RSA است که بر دشواری فاکتورگیری اعداد اول بزرگ متکی است و رمزنگاری منحنی بیضی (ECC) که بر دشواری حل مسائل لگاریتمی گسسته تکیه دارد. هر دو در برابر الگوریتم کوانتومی معروف به الگوریتم Shor آسیب پذیر هستند که می تواند به طور موثر مسائل ریاضی را که از آنها محافظت می کند حل کند، و ECC به ویژه برای بلاک چین مناسب است زیرا ستون فقرات امنیتی اکثر کیف پول های رمزنگاری را تشکیل می دهد.

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 تأیید یک امضای دیجیتالی که از رمزنگاری منحنی بیضوی مشتق شده است، تأیید می کند که شما صاحب آن کلید هستید. تحت مفروضات محاسباتی کلاسیک، استخراج کلید خصوصی از کلید عمومی از نظر محاسباتی غیرممکن است.

اما با استفاده از 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 و به آنها امکان جعل امضا و تخلیه کیف پول‌ها را بدهد.

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 افق‌های زمانی طولانی کار می‌کند و دارایی‌های ذخیره‌شده در بلاک چین امروز باید در دهه‌های آینده امن باقی بمانند – که ما را به FHE بازمی‌گرداند.

چرا FHE به طور طبیعی کوانتومی پایدار است؟

رمزگذاری کاملا هممورفیک متفاوت ساخته شده است. این به این دلیل است که اکثر پیاده سازی های مدرن FHE بر رمزنگاری مبتنی بر شبکه تکیه می کنند، که مبتنی بر دشواری حل مسائل مربوط به ساختارهای هندسی با ابعاد بالا به نام شبکه است.

به عبارت ساده، چالش شامل حل سیستم های بزرگ معادلات است که شامل مقادیر کمی نویز یا تصادفی است. برای کامپیوترهای کلاسیک، حل کارآمد این مسائل بسیار دشوار است، و – به طور بحرانی – هیچ الگوریتم کوانتومی شناخته شده ای نمی تواند آنها را به طور چشمگیری سریعتر 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 موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) چندین الگوریتم مبتنی بر شبکه را به عنوان استانداردهای رمزنگاری آینده انتخاب کرده اند.

از آنجایی که بیشتر طرح‌های FHE بر اساس همین پایه‌های ریاضی ساخته شده‌اند، مقاومت یکسانی در برابر حملات کوانتومی به ارث می‌برند. به عبارت دیگر، FHE در ابتدا به عنوان مکانیزم امنیتی کوانتومی طراحی نشده بود، اما ریاضیاتی که بر آن تکیه می‌کند با جهتی که رمزنگاری پس کوانتومی در آن حرکت می‌کند، همسو است.

این برای بلاک چین به چه معناست

انعطاف‌پذیری کوانتومی به‌ویژه برای سیستم‌های بلاک چین مهم است، زیرا آن‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مادون انعطاف‌پذیر هستند. ما نمی دانیم که بیت کوین در 20 سال آینده چقدر ارزش خواهد داشت، اما مایلیم این اطمینان را داشته باشیم که ارزش آن را دارد و بنابراین ارزش نگهداری آن را به عنوان یک سرمایه گذاری بلندمدت دارد – و همچنین در نهایت آن را به فرزندان خود به ارث می گذاریم.

این دلیل دیگری است که چرا اکنون فکر کردن به محاسبات کوانتومی مهم است. همچنین در این مرحله شایان ذکر است که بلاک چین ها نمی توانند به سادگی یک شبه جایگزین سیستم های رمزنگاری شوند. مفروضات امنیتی آنها در همه چیز از مکانیسم های اجماع گرفته تا معماری کیف پول تعبیه شده است.

اگر یک رمزنگاری بدوی پرکاربرد آسیب‌پذیر شود، مهاجرت کل اکوسیستم بلاک چین – به قول باین – بسیار دردناک خواهد بود. به همین دلیل است که صنعت شروع به چرخش FHE کرده است.

از آنجایی که محاسبات روی داده های رمزگذاری شده را امکان پذیر می کند و بر ریاضیات مقاوم در برابر کوانتومی متکی است، FHE مسیری را برای سیستم های بلاک چین حفظ حریم خصوصی ارائه می دهد که همچنین پسا کوانتومی ایمن هستند. این امر به ویژه برای برنامه هایی که شامل داده های مالی حساس هستند مهم است.

نقش FHE در DeFi خصوصی

امروزه یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای FHE در بلاک چین، امور مالی غیرمتمرکز رمزگذاری شده است. البته بلاک چین های عمومی از نظر طراحی شفاف هستند، و در حالی که این شفافیت برای تایید ارزشمند است، مشکلاتی را در بازارهای مالی ایجاد می کند که در آن استراتژی ها و توازن پورتفولیو برای همه قابل مشاهده است.

رمزگذاری کاملاً هممورفیک با اجازه دادن به قراردادهای هوشمند برای کار بر روی ترازهای رمزگذاری شده به این موضوع می پردازد. به عنوان مثال، یک پروتکل وام می تواند تأیید کند که وام گیرنده وثیقه کافی برای تضمین وام بدون فاش کردن مبلغ دقیق دارد، و آستانه انحلال می تواند پنهان بماند و معامله گران را از هدف قرار دادن موقعیت های آسیب پذیر باز دارد. مدل‌های وام‌دهی رمزگذاری‌شده ساخته‌شده در بالای FHE نشان می‌دهند که چگونه قراردادهای هوشمند می‌توانند قوانین مالی را اجرا کنند و در عین حال اطلاعات را خصوصی نگه دارند.

در این زمینه، FHE دو مزیت را به طور همزمان ارائه می دهد: حریم خصوصی همراه با انعطاف پذیری رمزنگاری طولانی مدت.

یک مدل رمزنگاری برای آینده

ظهور محاسبات کوانتومی، رمزنگاران را مجبور کرده است تا در مفروضاتی که زیربنای امنیت مدرن هستند تجدید نظر کنند. به نظر می رسد اجتناب ناپذیر است که فناوری های ساخته شده بر اساس رمزنگاری های ابتدایی کلاسیک در نهایت باید جایگزین شوند. به دلیل یک پیشرفت ناگهانی در محاسبات کوانتومی، ممکن است به آرامی یا یک شبه اتفاق بیفتد.

نکته مهم این است که وقتی این اتفاق می‌افتد، ما آماده و آماده هستیم، نه اینکه برای راه‌حل تقلا کنیم – در این مرحله ممکن است خیلی دیر باشد. ما نمی دانیم که دوران پیش کوانتومی چقدر طول خواهد کشید. اما می دانیم که هر عصری در نهایت فرا می رسد، و زمانی که دوره پیش کوانتومی رخ می دهد، بلاک چین هایی که با رمزگذاری کاملا هممورفیک محافظت می شوند، در امان خواهند بود و امنیت آنها دست نخورده تضمین می شود.

در اینجا و اکنون، FHE برای بسیاری از موارد، از جمله ارائه حریم خصوصی در زنجیره مفید است. اما از برخی جهات، ارزش اصلی آن ممکن است به عنوان دفاعی باشد که تضمین می‌کند بلاک چین در برابر حمله قوی‌ترین رایانه‌هایی که تا کنون ساخته شده است مصون بماند.