الگوریتم‌های کوانتومی؛ رمزنگاری متقارن یا نامتقارن مسئله این است!

هادی حیدری، دستیار مدیرعامل بانک صادرات ایران در استراتژی و تحول / رایانش کوانتومی همانند بسیاری از تکنولوژی ها و علوم می تواند عامل بالقوه برای پیشرفت و تهدید به صورت همزمان باشد. آن چه که از فضای کنونی خبرگان حوزه فناوری اطلاعات و بخصوص سازمان‌های نظارتی مانند بانک مرکزی، مرکز ملی فضای مجازی، افتا و مرکز کاشف در کشور ما برداشت می‌شود؛ در حال حاضر در حوزه رایانش، اطلاعات و الگوریتم‌های کوانتومی شاید نگاه‌ها عمدتا به تهدیدات کوانتومی بجای استفاده از مزیت کوانتومی در کسب‌وکار بخصوص در حوزه رمزنگاری متمرکز است.

ناگفته پیداست که اعتماد در نظام مالی اساساً به اعتمادی گره خورده است که رمزنگاری داده‌ها و اطلاعات فراهم می‌کند. استفاده از روش‌های قابل اعتماد رمزنگاری، حفاظت از اطلاعات مالی، تراکنش‌های پرداخت و عملکرد پایدار اقتصاد در مقیاس گسترده‌تر را تضمین می‌کند. در حالی که الگوریتم‌ها مبنای استقرار و به‌کارگیری رمزنگاری را برای اطلاعات شبکه بانکی و بخش مالی فراهم می‌کنند، اما عوامل دیگری همچون مدیریت کلیدها، رویه‌های پیاده‌سازی و پروتکل‌های امنیتی نیز برای حفظ امنیت و پیاده‌سازی جامع رمزنگاری اطلاعات بخش مالی از اهمیت حیاتی برخوردارند.

هدف اصلی این مقاله تفسیر این گزاره کلیدی است؛ با تأکید بر پیشرفت‌های اخیر در حوزه الگوریتم‌­ها و رایانش کوانتومی اولویت مهاجرت در دوران پساکوانتومی با آن نوع از دارایی­‌های اطلاعاتی است که برمبنای رمزنگاری نامتقارن در شبکه بانکی و بخش مالی کشور انجام شده‌­اند.

بخوانید:‌ اهمال‌کاری کوانتومی

بدین منظور در این مقاله سعی بر آن است که با تشریح مختصری از انواع الگوریتم‌های رمز نگاری و همچنین پایه‌های رمزنگاری، نگاهی گذار بر تهدیدات کوانتومی برای انواع رمزنگاری نامتقارن و متقارن داشته باشیم. با تمرکز بر دو الگوریتم کوانتومی که از منظر امنیت رمزنگاری می‌توانند پیامدهای مهمی برای بخش مالی داشته باشند، یعنی الگوریتم شور (Shor’s Algorithm) و الگوریتم گروور (Grover’s Algorithm)، سازوکار و آثار رمزگشایی هر یک را به‌اختصار بررسی می‌کنیم. از منظر تهدیدات رمزنگاری، الگوریتم شور با بهره‌گیری از قابلیت‌های رایانش کوانتومی می‌تواند سازوکارهای نامتقارن مبتنی بر تجزیه اعداد اول صحیح و لگاریتم گسسته را در معرض رمزگشایی قرار دهد.

همچنین الگوریتم گروور با ارائه یک شتاب کوانتومی درجه‌دو در جست‌وجوی فضای کلید، امنیت عملی رمزنگاری متقارن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. از این رو، پیامدهای کوانتومی برای این دو خانواده از رمزنگاری یکسان نیست و همین تفاوت، مبنای مهمی برای اولویت‌بندی راهبرد گذار به رمزنگاری پساکوانتومی در بخش مالی به شمار می‌رود.

رمزنگاری به‌طور گسترده در سراسر نظام مالی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا مجموعه‌ای از تضمین‌های امنیتی، از جمله محرمانگی، یکپارچگی داده‌ها، احراز هویت، کنترل دسترسی و به گونه ای انکارناپذیری را فراهم کند. هر کدام از عبارات فوق از نظر فنی و عملیاتی دارای مفاهیم کاربردی خودش است به عبارت دیگر محرمانگی به این معناست که پیام‌ها یا داده‌ها به قالبی رمزگذاری‌شده و غیرقابل‌خواندن تبدیل شوند، به‌گونه‌ای که اشخاص غیرمجاز نتوانند محتوای آن‌ها را مشاهده کنند و یا یکپارچگی داده‌ها تضمین می‌کند که داده‌ها بدون آنکه تغییر یا دستکاری آن‌ها قابل تشخیص باشد، نمی‌توانند اصلاح یا تغییر داده شوند.

احراز هویت رمزنگاری‌شده برای تأیید هویت یک کاربر، فرآیند و یا دستگاه به کار می‌رود و اغلب پیش‌شرطی برای اعطای دسترسی به منابع موجود در یک سامانه اطلاعاتی به یک کاربر خاص است. امضاهای دیجیتال که برای احراز هویت، هویت امضاکننده استفاده می‌شوند، می‌توانند برای یک شخص ثالث اثبات کنند که یک امضا توسط همان امضاکننده‌ای که ادعا می‌شود ایجاد شده است. از این طریق، برای اسناد و قراردادهای الکترونیکی انکارناپذیری فراهم می‌شود؛ یعنی امضاکننده نمی‌تواند به‌سادگی انتساب امضا به خود را انکار کند.

انواع الگوریتم‌های ریاضی رمزنگاری و مقایسه آنها

می دانیم که الگوریتم‌های رمزنگاری اجزای بنیادی و سازنده‌ای هستند که این تضمین‌های امنیتی رمزنگاری‌شده را فراهم می‌کنند. یک الگوریتم را می‌توان مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های ریاضی در نظر گرفت که کلیدهای رمزنگاری، متن‌های رمزشده و امضاها را تولید می‌کند. به طور خلاصه کلید پارامتری است که همراه با داده حساس، نتیجه اجرای الگوریتم رمزگذاری یا الگوریتم امضای دیجیتال را تعیین می‌کند. بدون دانستن مقدار دقیق کلید، تعیین نتیجه یا خروجی الگوریتم دشوار است؛ و امنیت رمزنگاری اساساً بر همین دشواری استوار است. دو نوع اصلی از الگوریتم‌های رمزنگاری مبتنی بر کلید وجود دارد:

هرکدام از این دو گروه از الگوریتم‌های رمزنگاری دارای کارکردهای امنیتی متفاوتی در حوزه رمزنگاری بخصوص در بخش مالی مانند بانک‌ها هستند و عمدتا نمی‌توان آن‌ها را به جای یکدیگر استفاده کرد. رمزنگاری نامتقارن عمدتاً برای برقراری یک کانال ارتباطی امن یا پشتیبانی از احراز هویت و اعتبارسنجی هویت یک کاربر مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ در حالی که رمزنگاری متقارن روش کارآمدتری برای رمزگذاری حجم زیادی از داده‌ها در یک کانال ارتباطیِ از قبل ایجادشده است. بسیاری از کاربردهای ارتباطات دیجیتال به ترکیبی از رمزنگاری متقارن و نامتقارن نیاز دارند.

اگر بخواهیم یک مقایسه خلاصه بین انواع رمزنگاری متقارن و نامتقارن را داشته باشیم شاید تفاوت‌های مهم این دو گونه رمز نگاری بتوان به موارد زیر اشاره کرد: در رمزنگاری متقارن، از یک کلید مشترک واحد برای هر دو عملیات رمزگذاری و رمزگشایی استفاده می‌شود. این نوع رمزنگاری به‌ویژه برای تأمین محرمانگی حجم زیادی از داده‌ها مناسب است و در مقایسه با رمزنگاری نامتقارن، سرعت بالاتری دارد. به همین دلیل، در سناریوهایی که کارایی و عملکرد اهمیت زیادی دارند، استفاده از رمزنگاری متقارن مناسب‌تر است.

مهمترین الگوریتم امنی که برای رمزنگاری متقارن استفاده می شود الگوریتم‌های متقارن AES است که به طور گسترده‌ای در بخش مالی و در بانک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، رمزنگاری نامتقارن یا رمزنگاری کلید عمومی از یک جفت کلید شامل کلید عمومی و کلید خصوصی استفاده می‌کند. در کاربردهای رمزگذاری، کلید عمومی می‌تواند برای رمزگذاری و کلید خصوصی برای رمزگشایی مورد استفاده قرار گیرد.

همچنین در امضاهای دیجیتال، کلید خصوصی برای ایجاد امضا و کلید عمومی برای اعتبارسنجی آن استفاده می‌شود. رمزنگاری نامتقارن علاوه بر تأمین محرمانگی، قابلیت‌هایی مانند احراز هویت و امضای دیجیتال را نیز فراهم می‌کند. از الگوریتم‌های مهم رمزنگاری نامتقارن که در سامانه‌های مالی بویژه در بانک‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند می‌توان به RSA، ECC و Diffie–Hellman Key Exchange اشاره کرد.

ورود کوانتوم به رمزنگاری: الگوریتم‌های شور و گروور

در حال حاضر جایگزینی الگوریتم‌ها و سازوکارهای رمزنگاری نامتقارن در حال استفاده فوریت پیدا کرده‌است؛ به عبارت دیگر تمامی سازوکارهای پایه رمزنگاری نامتقارن از جمله سازوکارهای تبادل کلید (ECDH) و امضاهای دیجیتال براساس الگوریتم‌های رمزگذاری مانند (RSA، ECDSA و EdDSA) در برابر الگوریتم کوانتومی شور آسیب‌پذیر هستند. با این حال، این تهدید الگوریتم‌های رمزنگاری متقارن موجود مانند AES، و توابع هش رمزنگاری SHA-2 و SHA-3 یا اندازه کلیدهای آن‌ها را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد.

یک تصور غلط رایج این است که رایانه‌های کوانتومی امنیت کلیدهای متقارن را از نظر زمان و هزینه رمزگشایی به نصف کاهش می‌دهند و در نتیجه، برای دستیابی به ۱۲۸ بیت امنیت باید از کلیدهای ۲۵۶ بیتی استفاده کرد. این برداشت، تفسیر دقیقی از افزایش سرعتی که الگوریتم‌های کوانتومی ایجاد می‌کنند نیست؛ چنین الزامی در هیچ‌یک از استانداردهای موجود نیز منعکس نشده است و می‌تواند باعث شود انرژی و توجه سازمان‌ها از اقدامات واقعاً ضروری برای گذار به رمزنگاری پساکوانتومی منحرف شود.

این تصور غلط معمولاً ناشی از برداشت نادرست درباره کاربرد الگوریتم کوانتومی دیگری به نام الگوریتم گروور است. تاکید بر این نکته که دو الگوریتم رمزگذاری متقارن یعنی AES-128 و تابع هش رمزنگاری SHA-256 در برابر رایانه‌های کوانتومی امن هستند ضروری است؛ بنابراین، به‌عنوان بخشی از گذار به رمزنگاری پساکوانتومی، نیازی به تغییر اندازه کلیدهای متقارن وجود ندارد. این دیدگاه در میان متخصصان و نهادهای استانداردگذاری، تا حد زیادی مورد قبول است و لازم است این تاییده به تمامی سیاستگذاران حوزه فناوری اطلاعات در کشور مانند بانک مرکزی، مرکز ملی فضای مجازی، افتا و کاشف نیز منتقل شود.

به طور خلاصه تخمین میزان زیرساخت کوانتومی مورد نیاز برای حمله به یک حجم داده رمزگذاری شده با الگوریتم متقارن AES128 با الگوریتم رمزگشایی گروور با فرض‌های بسیار محافظه‌کارانه و براساس آخرین محاسبات توسط شرکت‌های پیشرفته نیازمند حدود ۱۴۰ تریلیون مدار کوانتومی موازی که در هر مدار حدود ۷۲۴ کیوبیت منطقی وجود داشته باشد به ۱۰ سال زمان نیاز دارد. ( منبع تحلیل فیلیپو والسوردا مسئول سابق رمزنگاری گوگل (۲۰۲۶) و پارامتر MAXDEPTH در اسنادمنتشره در سال ۲۰۲۴ NIST)

 الزامات و مستندات مربوط به NIST‌در سال ۲۰۲۴ نیز الگوریتم‌های رمزنگاری متقارن AES را در طبقه اول امنیت پساکوانتومی قرار داده‌اند و الزامی برای دوبرابر کردن اندازه کلید در استانداردهای منتشر شده وجود ندارد. در مقابل وضعیت فعلی روش‌های رمز نگاری نامتقارن توسط همین موسسه NIST‌ توسط الگوریتم کوانتومی شور قابلیت رمزگشایی داشته و مهاجرت به دوره PQC برای آنها الزامی است.

توصیه سیاستی و برنامه اقدام شبکه بانکی

تهدید کوانتومی دیگر صرفاً یک بحث نظری درباره آینده دور نیست؛ اما پاسخ آن نیز تعویض کورکورانه تمام الگوریتم‌های رمزنگاری در شبکه بانکی نیست. پاسخ درست، شناخت دقیق تمامی پایه‌های اصلی رمزنگاری داده‌ها و اطلاعات موجود است، شناسایی میزان آسیب‌پذیر، ایجاد انبار رمزنگاری، اولویت‌بندی دارایی‌ها و حرکت به سمت معماری‌های چابک اولویت رمزنگاری پسا کوانتومی است.

در حال حاضر در یک برنامه پسا کوانتومی به منظور ایمن‌سازی رمزنگاری انواع دارایی‌های حوزه فناوری اطلاعات اولویت اول با ایجاد موجودی انبار برای رمزنگاری انواع دارایی‌های نام برده شده است. در مرحله بعدی پس از ایجاد موجودی انبار رمزنگاری موسسات مالی مانند بانک‌ها برای انواع رمزنگاری بر روی دارایی‌های حوزه فناوری اطلاعات در شبکه بانکی تفکیک بین دارایی‌ها براساس انواع الگوریتم‌های رمزنگاری متقارن شامل: AES128 , AES256 و همچنین رمزنگاری نامتقارن شامل انواع رمزنگاری مانند : RSA و EDdSA و ECDSA/ECDH بر پایه منحنی‌هایی مانند secp256k1 و در نهایت در گام بعدی اولویت مهاجرت دارایی‌های براساس رمزنگاری نامتقارن که در معرض ریسک بالایی توسط الگوریتم رمزگشایی شور هستند.