Trang chủ Kiến Thức Crypto Máy tính lượng tử và tiền điện tử

Máy tính lượng tử và tiền điện tử

09/12/2020 06:00

Giới thiệu

Máy tính lượng tử là cỗ máy mạnh mẽ có thể giải các phương trình phức tạp nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường. Một số chuyên gia ước tính chúng có thể bẻ khóa mã hóa chỉ trong vài phút thay vì hàng nghìn năm nếu sử dụng máy tính thông thường nhanh nhất hiện nay. Do đó, hầu hết cơ sở hạ tầng bảo mật kỹ thuật số đều có thể gặp rủi ro, bao gồm cả mật mã nền tảng của Bitcoin nói riêng và tiền điện tử nói chung.

Bài viết này sẽ giới thiệu máy tính lượng tử khác với máy tính thông thường như thế nào và những rủi ro mà chúng gây ra đối với tiền điện tử cũng như cơ sở hạ tầng kỹ thuật số.

Mật mã bất đối xứng và bảo mật Internet

Mật mã bất đối xứng (còn được gọi là mật mã khóa công khai) là một thành phần quan trọng của hệ sinh thái tiền điện tử và hầu hết cơ sở hạ tầng Internet. Nó dựa vào một cặp khóa để mã hóa và giải mã thông tin. Cụ thể là khóa công khai để mã hóa và khóa riêng tư để giải mã. Ngược lại, mật mã khóa đối xứng chỉ sử dụng một khóa để mã hóa và giải mã dữ liệu.

Khóa công khai có thể được chia sẻ miễn phí và được sử dụng để mã hóa thông tin, sau đó chỉ có thể được giải mã bằng khóa riêng tư tương ứng. Điều này đảm bảo chỉ người nhận dự kiến mới có thể truy cập thông tin được mã hóa.

Một trong những ưu điểm chính của mật mã bất đối xứng là khả năng trao đổi thông tin mà không cần chia sẻ khóa chung trên một kênh không đáng tin cậy. Nếu không có khả năng quan trọng này, bảo mật thông tin cơ bản sẽ không thể thực hiện được trên Internet. Chẳng hạn, thật khó để tưởng tượng một ngân hàng trực tuyến không có khả năng mã hóa thông tin an toàn giữa các bên không đáng tin cậy.

Một số tính năng bảo mật của mật mã bất đối xứng dựa trên nhận định rằng thuật toán tạo cặp khóa khiến việc tính toán khóa riêng tư từ khóa công khai trở nên vô cùng khó khăn, trong khi tính khóa công khai từ khóa riêng tư rất đơn giản. Trong toán học, đây được gọi là hàm cửa sập (trapdoor function), vì nó dễ tính theo một hướng nhưng lại khó tính theo hướng khác.

Hiện tại, hầu hết các thuật toán hiện đại được sử dụng để tạo cặp khóa đều dựa trên các hàm cửa sập toán học đã biết. Các hàm cửa sập này được biết là không thể giải quyết trong một khung thời gian khả thi đối với bất kỳ máy tính hiện có nào. Sẽ mất rất nhiều thời gian ngay cả những máy mạnh nhất để có thể thực hiện các phép tính đó.

Tuy nhiên, điều này có thể sớm thay đổi với sự phát triển của các hệ thống tính toán mới được gọi là máy tính lượng tử. Để hiểu lý do tại sao máy tính lượng tử lại mạnh mẽ như vậy, trước tiên, hãy kiểm tra cách hoạt động của máy tính thông thường.

Máy tính cổ điển

Máy tính mà chúng ta biết ngày nay có thể được gọi là máy tính cổ điển. Điều này có nghĩa là thực hiện các phép tính theo thứ tự tuần tự, tức là một tác vụ tính toán được thực hiện và sau đó một tác vụ khác bắt đầu. Điều này là do bộ nhớ trong máy tính cổ điển phải tuân theo các định luật vật lý và chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1 (tắt hoặc mở).

Có nhiều phương pháp phần cứng và phần mềm khác nhau cho phép máy tính chia phép tính phức tạp thành nhiều phần nhỏ hơn để đạt được hiệu quả. Tuy nhiên, cơ sở vẫn như cũ. Một nhiệm vụ tính toán phải được hoàn thành trước khi một tác vụ khác có thể được bắt đầu.

Hãy xem ví dụ sau, trong đó máy tính phải đoán khóa 4 bit. Mỗi 4 bit có thể là 0 hoặc 1. Có 16 cách kết hợp có thể, như được hiển thị trong bảng:

Một máy tính cổ điển cần phải đoán từng tổ hợp riêng biệt. Hãy tưởng tượng có một ổ khóa và 16 chìa khóa trên một chiếc móc. Mỗi khóa trong số 16 khóa phải được thử riêng biệt. Nếu cái đầu tiên không mở được ổ khóa, bạn có thể thử cái tiếp theo, rồi cái tiếp theo nữa và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi tìm được chiếc chìa khóa đúng.

Tuy nhiên, khi chiều dài khóa tăng lên, số lượng các tổ hợp có thể tăng theo cấp số nhân. Trong ví dụ trên, thêm một bit bổ sung để tăng độ dài khóa lên 5 bit sẽ dẫn đến 32 tổ hợp. Tăng lên 6 bit sẽ dẫn đến 64 tổ hợp. Ở 256 bit, số lượng tổ hợp có thể có gần với số lượng nguyên tử ước tính quan sát được trong vũ trụ.

Ngược lại, tốc độ xử lý tính toán chỉ phát triển tuyến tính. Tăng gấp đôi tốc độ xử lý của máy tính chỉ dẫn đến tăng gấp đôi số lần đoán có thể được thực hiện trong một thời gian nhất định. Tăng trưởng theo cấp số nhân vượt xa bất kỳ tiến trình tuyến tính nào ở khía cạnh phỏng đoán.

Ước tính, phải mất hàng thiên niên kỷ để một hệ thống máy tính cổ điển đoán được khóa 55 bit. Để tham khảo, kích thước được đề xuất tối thiểu cho một hạt giống được sử dụng trong Bitcoin là 128 bit, trong khi nhiều triển khai ví sử dụng 256 bit.

Có vẻ như máy tính cổ điển không phải là mối đe dọa đối với mã hóa bất đối xứng được tiền điện tử và cơ sở hạ tầng Internet sử dụng.

Máy tính lượng tử

Có một loại máy tính hiện đang trong giai đoạn phát triển sơ khai nhưng có thể giải quyết tốt tất cả những điều trên là máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử dựa trên các nguyên tắc cơ bản được mô tả trong lý thuyết cơ học lượng tử, liên quan đến cách các hạt hạ nguyên tử hoạt động.

Trong máy tính cổ điển, một bit được sử dụng để đại diện cho thông tin và một bit có thể ở dạng 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử làm việc với các bit lượng tử hoặc qubit. Qubit là đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử. Cũng giống như một bit, một qubit có thể ở trạng thái 0 hoặc 1. Tuy nhiên, nhờ tính đặc thù của các hiện tượng cơ học lượng tử, một qubit cũng có thể có cả 0 và 1 cùng một lúc.

Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu và phát triển lĩnh vực điện toán lượng tử, trong đó, cả các trường đại học và công ty tư nhân đầu tư thời gian, tiền bạc vào việc khám phá lĩnh vực mới, thú vị này. Quá trình giải quyết các lý thuyết trừu tượng và vấn đề kỹ thuật thực tế mà lĩnh vực hiện có được thực hiện dựa trên lợi thế vượt trội từ các thành tựu công nghệ của con người.

Thật không may, tác dụng phụ của các máy tính lượng tử là nó dễ dàng giải quyết thuật toán tạo cơ sở mật mã bất đối xứng, về cơ bản phá vỡ các hệ thống dựa vào chúng.

Hãy xem xét ví dụ về việc bẻ khóa 4 bit một lần nữa. Một máy tính 4 qubit về mặt lý thuyết sẽ có thể cần tất cả 16 tiểu bang (kết hợp) cùng một lúc thực hiện nhiệm vụ tính toán duy nhất. Xác suất tìm khóa chính xác sẽ là 100% trong thời gian cần để thực hiện tính toán này.

Mật mã kháng lượng tử

Sự xuất hiện của công nghệ điện toán lượng tử có thể làm suy yếu mật mã mà là nền tảng cho hầu hết cơ sở hạ tầng kỹ thuật số hiện đại của chúng ta, bao gồm cả tiền điện tử.

Điều này sẽ đe dọa đến bảo mật, hoạt động và giao tiếp của toàn thế giới, từ các chính phủ và tập đoàn đa quốc gia đến người dùng cá nhân. Không có gì ngạc nhiên khi một số lượng đáng kể các nghiên cứu đang được thực hiện để điều tra và phát triển các biện pháp đối phó với công nghệ này. Các thuật toán mật mã được cho là an toàn chống lại mối đe dọa của máy tính lượng tử được gọi là thuật toán kháng lượng tử.

Ở cấp độ cơ bản, có vẻ như rủi ro liên quan đến máy tính lượng tử được giảm nhẹ bằng mật mã khóa đối xứng thông qua gia tăng độ dài khóa. Lĩnh vực mật mã này đã bị mật mã khóa bất đối xứng gạt sang một bên do các vấn đề phát sinh từ việc chia sẻ khóa bí mật chung trên một kênh mở. Tuy nhiên, nó có thể tái xuất hiện khi điện toán lượng tử phát triển.

Vấn đề chia sẻ an toàn khóa chung trên kênh mở cũng có thể được giải quyết bằng mật mã lượng tử. Các biện pháp đối phó chống nghe lén đang được phát triển. Nghe lén trên một kênh được chia sẻ có thể bị phát hiện bằng cách sử dụng các nguyên tắc tương tự được yêu cầu để phát triển máy tính lượng tử. Theo đó, có thể biết nếu khóa đối xứng được chia sẻ đã bị đọc trước đó hoặc giả mạo bởi một bên thứ ba.

Có những nghiên cứu khác đang được thực hiện để đánh bại các cuộc tấn công dựa trên lượng tử. Chúng có thể liên quan đến những kỹ thuật cơ bản như hashing để tạo kích thước thông điệp lớn hoặc các phương pháp khác như mật mã dựa trên dàn số nguyên. Tất cả các nghiên cứu này nhằm mục đích tạo ra nhiều loại mã hóa mà máy tính lượng tử sẽ khó bẻ khóa.

Máy tính lượng tử và khai thác Bitcoin

Khai thác Bitcoin cũng sử dụng mật mã. Các miner đang cạnh tranh để giải câu đố mật mã và đổi lấy phần thưởng khối. Nếu một người khai thác duy nhất có quyền truy cập vào máy tính lượng tử, họ sẽ chiếm ưu thế trên mạng. Điều này sẽ làm giảm sự phân cấp của mạng và có khả năng khiến mạng bị tấn công 51%.

Tuy nhiên, theo một số chuyên gia, đây không phải là mối đe dọa ngay lập tức. Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) có thể làm giảm hiệu quả của kiểu tấn công như vậy – ít nhất là trong tương lai gần. Ngoài ra, nếu nhiều miner có quyền truy cập vào máy tính lượng tử, nguy cơ xảy ra một cuộc tấn công như vậy sẽ giảm đáng kể.

Kết luận

Sự phát triển của điện toán lượng tử và dẫn đến mối đe dọa đối với việc triển khai mã hóa bất đối xứng hiện tại dường như chỉ còn là vấn đề thời gian. Tuy nhiên, đó không phải là vấn đề đáng lo ngại ngay lập tức vì có những rào cản lý thuyết và kỹ thuật khổng lồ cần vượt qua trước khi nó được thực hiện đầy đủ.

Do có nhiều phần liên quan đến bảo mật thông tin nên việc bắt đầu đặt nền móng chống lại vectơ tấn công trong tương lai ngay từ bây giờ là điều hợp lý. Rất may, có rất nhiều nghiên cứu đang được tiến hành để đưa ra những giải pháp tiềm năng triển khai cho hệ thống hiện có. Về lý thuyết, những giải pháp này sẽ bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng của chúng ta trong tương lai trước mối đe dọa của máy tính lượng tử.

Các tiêu chuẩn kháng lượng tử có thể được phân phối cho công chúng rộng rãi hơn giống như cách mã hóa đầu cuối được triển khai thông qua các trình duyệt và ứng dụng nhắn tin nổi tiếng. Khi các tiêu chuẩn này được hoàn thiện, hệ sinh thái tiền điện tử có thể tích hợp biện pháp phòng thủ mạnh nhất để chống lại các vectơ tấn công một cách tương đối dễ dàng.

Thuỳ Trang

Theo Academy Binance