گسترش معماری محاسبات کوانتومی آسیبپذیریهای سیستماتیک بیسابقهای را به کانالهای ارتباطی جهانی معرفی میکند و نیاز به تغییر فوری در دفاعهای رمزنگاری را ایجاب میکند. این آسیبپذیری استراتژیک زمانی بروز میکند که دشمنان دولتی بهطور فعال بارهای رمزگذاریشده قدیمی را رهگیری و ذخیره میکنند و بهدنبال ورود آرایههای پردازشی با قابلیت رمزگشایی هستند. برای حفظ برتری اطلاعاتی ساختاری، بازیگران حاکم باید رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم را در تمام زیرساختهای دیجیتال بهکار گیرند.
دفاعهای امنیت ملی کوانتومی پیشگام شدهاند
هر بیست سال یا بیشتر، یک فناوری جدید امنیت ملی را دگرگون میکند. در دهههای ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰، بمبهای اتمی و هیدروژنی بازدارندگی هستهای را برقرار کردند. در دهههای ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، میکروالکترونیک منجر به ایجاد سلاحهای پنهان و دقیق و شبکههای دیجیتال اولیه شد. در دهه ۱۹۹۰، اینترنت و استقرار سیستم موقعیتیابی جهانی (GPS) ارتباطات را متحول کردند. اکنون، البته، هوش مصنوعی سلاحهای خودکار را تقویت کرده و قابلیتهای سایبری را به شدت افزایش میدهد، اما به زودی، فناوریهای کوانتومی هستند که حوزههای متعددی را از افشای اسرار امنیت ملی تا نمایش قدرت نظامی دگرگون خواهند کرد.
فناوریهای کوانتومی با بهرهگیری از رفتار عجیب ذرات بسیار کوچک کار میکنند. بنابراین، آنها میتوانند کارهایی انجام دهند که فناوریهای متعارف نمیتوانند، مانند اندازهگیری دقیق موقعیت در حالی که کاملاً آفلاین هستند و بهطور نظری، رمزگذاریهایی را که امروزه بهطور گسترده استفاده میشوند، شکسته کنند. یک ابررایانه کلاسیک بهطور تقریبی به ۳۰۰ تریلیون سال و «نیروی خام» نیاز دارد تا یک رمزگذاری رایج، معروف به کلید RSA 2048 بیتی را بشکند. در مقابل، یک رایانه کوانتومی بهطور نظری میتواند همان کلید را که برای حفاظت از سوابق پزشکی، معاملات مالی و اسرار دولتی استفاده میشود، در کمتر از هشت ساعت رمزگشایی کند. نوآوریها در زمینه حسگرهای کوانتومی به زودی به ارتشها این امکان را میدهد که در محیطهای «محروم از GPS» فعالیت کنند، جایی که سیگنالهای ماهوارهای مسدود، مختل یا در دسترس نیستند.
اگرچه این آینده به نظر دور میرسد، اما اینگونه نیست. بر اساس گزارشهای آژانسهای اطلاعاتی ایالات متحده، دشمنان ایالات متحده در حال حاضر در حال برداشت دادههای رمزگذاریشده ایالات متحده هستند به امید اینکه زمانی که قابلیتهای کوانتومی را بهدست آورند—چه در پنج سال و چه در ده سال—بتوانند آن را بخوانند.
چین بهویژه در حال سرمایهگذاری در ارتباطات کوانتومی و ابزارهای رمزنگاری است. واشنگتن و متحدانش باید هر کاری که در توان دارند انجام دهند تا در رقابت کوانتومی پیروز شوند و در عین حال برای جهانی که در آن پکن یا مسکو زودتر از همه یک کامپیوتر کوانتومی بسازد، آماده باشند. این بهویژه به این معناست که باید اسرار امروز را با رمزنگاری پیشرفتهتری که در آینده قابل شکستن نیست، رمزگذاری کرد.
درک تهدید امنیت ملی کوانتومی
یک جهش کوانتومی
زیرا محاسبات کوانتومی پتانسیل شکستن رمزنگاری را دارد که بهطور گستردهای توسط دولتها و افراد استفاده میشود، تهدیدی که برای امنیت ملی ایجاد میکند، بهراحتی قابل اغراق نیست. رمزنگاری که امنیت بخش زیادی از اینترنت امروز را تأمین میکند، به دشواری حل برخی مسائل ریاضی، مانند تجزیه اعداد بسیار بزرگ، توسط کامپیوترهای متعارف وابسته است. با این حال، انتظار میرود که کامپیوترهای کوانتومی برخی از این محاسبات را بهطور بسیار کارآمدتری انجام دهند و به مهاجمان این امکان را بدهند که کدها را بشکنند و دادههای حساس را بهدست آورند.
هنوز چنین ماشینهایی وجود ندارند و پیشبینی زمان بهکارگیری آنها دشوار است. اما پیشرفتهای اخیر نشان میدهد که یک کامپیوتر کوانتومی میتواند حداقل برخی از اشکال رمزنگاری معمولی را در چند سال آینده بشکند. مهمتر از آن، رقبای ایالات متحده منتظر نیستند تا یک کامپیوتر کوانتومی بهوجود آید. چین و روسیه قبلاً اسرار رمزنگاریشده ایالات متحده را جمعآوری کردهاند و شرطبندی میکنند که برخی از اطلاعات هنوز پس از بهدست آوردن ابزارهای رمزگشایی، مرتبط خواهند بود.
پیامدهای فناوریهای کوانتومی برای امنیت ملی فراتر از رمزنگاری است. حسگرهای کوانتومی میتوانند زمان و تفاوتهای میدانهای گرانشی و مغناطیسی را با حساسیت و دقت بیسابقهای اندازهگیری کنند. این حسگرها میتوانند در نهایت برای شناسایی وسایل نقلیه پنهان یا هدایت ارتشها در محیطهای بدون GPS استفاده شوند.
این موضوع بهویژه برای ایالات متحده مفید است زیرا چین در زمینه مختل کردن GPS پیشرفتهایی کرده است، که ارتش ایالات متحده و متحدانش برای مهمات هدایتشونده با دقت و پهپادها به آن وابستهاند. بهطور تاریخی، اگر کشوری GPS را مختل میکرد، که متعلق به دولت ایالات متحده است، در معرض خطر مختل کردن نیروهای خود قرار میگرفت، اما چین اکنون دارای مجموعه ماهوارههای ناوبری BeiDou-3 خود است که به آن اجازه میدهد تا مختلکنندههای GPS قدرتمندی را در تئاترهایی مانند دریای چین جنوبی مستقر کند، در حالی که داراییهای آن همچنان عملیاتی باقی میمانند. با این حال، حسگرهای کوانتومی راهی برای دور زدن سیستم چین ارائه میدهند زیرا منبع محلی از موقعیتیابی و زمانبندی دقیق را فراهم میکنند که به GPS یا هر سیگنال ماهوارهای وابسته نیست.
ائتلافهای جهانی در برابر امنیت ملی کوانتومی
تا کنون، در زمینه کوانتوم، ایالات متحده برتری فنی در سختافزار را حفظ کرده است و بخش عمدهای از پیشرفتهای آن توسط شرکتهای خصوصی، از جمله IBM، گوگل و چندین استارتاپ هدایت میشود. در مقابل، چین کوانتوم را به عنوان یکی از اولویتهای اصلی خود در برنامه پنجساله ۲۰۲۶–۳۰ شناسایی کرده و بیشتر تحقیقات و توسعه خود را تحت مراکز دولتی متمرکز کرده است، مانند آزمایشگاه ملی هفی.
اگرچه سرمایهگذاریهای اولیه چین بر ساخت یک شبکه ارتباطات کوانتومی امن متمرکز بود، این کشور در چند سال گذشته نیز در زمینه محاسبات کوانتومی پیشرفتهایی داشته و در حال حاضر در حال توسعه حسگرهای کوانتومی برای زیردریاییها و هواپیماهای پنهانکار خود است، که به دلیل چشمانداز سیستمهایی که هم فناوریهای سنتی را پشت سر میگذارند و هم تحت کنترلهای صادراتی فعلی محدود نیستند، انجام میشود.
با حرکت رقابت ایالات متحده و چین فراتر از حوزه تحقیق خالص به سمت سرمایهگذاریهای چند میلیارد دلاری در سختافزارهای تخصصی، بلوکهای فناوری رقیب نیز در حال ظهور هستند. به عنوان مثال، ایالات متحده به ائتلافهای پیشرو کوانتومی مانند فرانسه، ژاپن و بریتانیا پیوسته است تا گروه توسعه کوانتومی ۱۳ کشور را تشکیل دهد، با هدف تأمین زنجیرههای تأمین جهانی و حفاظت از منافع امنیت ملی در برابر تهدیدات نوظهور کوانتومی. در همین حال، چین در حال حاضر با کشورهای BRICS، به ویژه روسیه که دارای قابلیتهای علمی فیزیکی، ریاضی و رمزنگاری در سطح جهانی است، همکاری میکند.
اطلاعات کمی به طور عمومی در مورد تلاشهای کوانتومی روسیه در دسترس است. اگرچه این کشور بر توسعه ابزارهای نظامی برای جنگ در اوکراین متمرکز است، اما در حال حاضر در توسعه الگوریتمهای رمزنگاری پیشرفته است که ممکن است به آن کمک کند یک کامپیوتر کوانتومی کوچکتر اما همچنان توانمند بسازد. از زمان حمله تماممقیاس به اوکراین در سال ۲۰۲۲، روسیه روابط نزدیکتری با چین برقرار کرده است.
در اواخر سال ۲۰۲۳، دو کشور آنچه را که “یک لینک کوانتومی امن” نامیدند، به نمایش گذاشتند و اطلاعات را به طور آنی بین ماهوارههای چینی و ایستگاههای زمینی چینی و روسی که ۲۴۰۰ مایل فاصله داشتند، منتقل کردند، با ظاهراً هیچ خطری از شنود. (زیرا ارتباطات کوانتومی به خواص فیزیکی ذرات کوانتومی وابسته است، خود عمل شنود سیگنال را مختل میکند و بلافاصله هر دو طرف را از اینکه ارتباط به خطر افتاده است، مطلع میسازد.) در اوایل سال ۲۰۲۵، چین یک نمایش مشابه با آفریقای جنوبی انجام داد که ایستگاههایی را که بیش از ۸۰۰۰ مایل فاصله داشتند، به هم متصل کرد.
دانشمندان در ایالات متحده و اروپا به ارزش این فناوریها شک دارند زیرا آنها به رمزنگاری سنتی برای تأیید هردو طرف لینک نیاز دارند و بنابراین هنوز آسیبپذیریهایی دارند. با این حال، این نمایشها با اعضای دیگر بریکس نشان میدهد که پکن ممکن است در حال ایجاد زیرساختی برای همکاریهای گستردهتر کوانتومی در درون این بلوک باشد، که شاید به محاسبات و حسگری نیز گسترش یابد.
جدول زمانی امنیت ملی رمزنگاری کوانتومی تسریع شده است
شکافندگان کد
واشنگتن از قبل اقداماتی را برای آمادهسازی برای دنیایی که در آن دشمنانش دارای فناوریهای کوانتومی هستند، آغاز کرده است. از سال ۲۰۱۶، رمزنگاران در سرتاسر جهان در پروژهای از موسسه ملی استانداردها و فناوری ایالات متحده برای توسعه الگوریتمهای جدیدی که قادر به مقاومت در برابر حمله کامپیوترهای کوانتومی باشند، رقابت کردند. در آگوست ۲۰۲۴، این موسسه مجموعه اولیهای از این الگوریتمها را استانداردسازی کرد که شرکتهای بزرگ زیرساخت اینترنتی بهطور بینالمللی شروع به استفاده از آنها کردند.
هر شرکت بزرگ اینترنتی، از جمله گوگل و فیسبوک، به نوعی از رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم استفاده میکند. اما این استانداردهای جدید هنوز به سایر پروتکلهای اینترنتی، از جمله سیستمهایی که وبسایتها را به عنوان ایمن برای استفاده تأیید میکنند، گسترش نیافته است. دولت ایالات متحده اعلام کرده است که تمام آژانسهای فدرال تا سال ۲۰۳۵ از رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم استفاده خواهند کرد، اما ممکن است کامپیوترهای کوانتومی قبل از این مهلت رمزنگاری دولت را شکسته باشند. یک مقاله اخیر از گوگل نشان میدهد که شکستن نوعی از رمزنگاری که بیشتر ارتباطات اینترنتی را ایمن میکند، ممکن است به منابع بسیار کمتری نسبت به آنچه قبلاً تصور میشد نیاز داشته باشد. گوگل جدول زمانی خود را برای ارتقاء به رمزنگاری ایمن در برابر کوانتوم به سال ۲۰۲۹ تسریع کرده و از دیگران خواسته است که از آن پیروی کنند.
حتی اگر انتقال به این الگوریتمهای مقاوم در برابر کوانتوم قبل از اختراع یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً توانمند به پایان برسد، مقدار زیادی از اطلاعات حساس که چین و روسیه از قبل جمعآوری کردهاند احتمالاً به خطر خواهد افتاد. البته، برخی از اطلاعاتی که اکنون جمعآوری میشود تا زمانی که بتوانند آن را رمزگشایی کنند، بیفایده خواهد بود. به عنوان مثال، موقعیت نیروهای ایالات متحده امروز تا سال ۲۰۳۰ تغییر خواهد کرد. اما سایر اطلاعات بسیار حساس، از جمله اسرار طراحی هستهای، برای مدت طولانی مرتبط خواهد بود و بزرگترین خطر را در صورتی که جمعآوری و در نهایت رمزگشایی شود، توسط دشمنان به همراه دارد.
برای مقابله با چالشهای امنیت ملی ناشی از فناوری کوانتوم، ایالات متحده و متحدانش باید با تأمین یک “پشته کوانتومی” داخلی آغاز کنند—به این ترتیب اطمینان حاصل میشود که سختافزار، مواد و مالکیت معنوی مورد نیاز برای فناوریهای کوانتومی در کنترل مستقیم آنها باقی بماند. ایالات متحده باید از کنترلهای صادراتی برای حفاظت از الکترونیکهای تخصصی، یخچالها، هلیوم و ایزوتوپهای سیلیکون که اجزای فناوریهای کوانتومی را تشکیل میدهند، استفاده کند. آژانسهای اطلاعاتی ایالات متحده و متحدان باید همچنین حفاظت از مالکیت معنوی کوانتومی بخش خصوصی را در برابر جاسوسی صنعتی در اولویت قرار دهند و با به اشتراکگذاری تهدیدات و مشاورههای امنیت سایبری با شرکتهای ایالات متحده و متحدان، از آنها حمایت کنند و از شرکتها بخواهند که دفاعهای سایبری سطح بالا را به کار گیرند.
جداسازی زیرساخت برای انطباق امنیت ملی کوانتومی
اما این کافی نیست. ایالات متحده همچنین باید رهبری یک تلاش جهانی واقعی برای ارتقاء تمام پروتکلهای اینترنت به رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم را بر عهده بگیرد. حتی اگر فقط یک کشور از استاندارد رمزنگاری پایینتری استفاده کند، این امر یک حلقه ضعیف در تجارت جهانی ایجاد میکند. به این منظور، مؤسسه ملی استانداردها و فناوری ایالات متحده باید رهبری یک تلاش همکاری با آژانس امنیت سایبری اتحادیه اروپا و نهادهای معادل در آسیا را برای توسعه الگوریتمهای قابل همکاری بر عهده بگیرد—و سپس این الگوریتمها و کمکهای فنی را با کشورهای در حال توسعه به اشتراک بگذارد.
با این حال، این راهحلها فرض میکنند که سالها طول میکشد تا کسی یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی پیشرفته اختراع کند که بتواند رمزنگاریهای امروزی را بشکند. اما اگر یکی در کوتاهمدت یا میانمدت توسعه یابد، امنیت سیستمهای فعلی و اطلاعاتی که در گذشته منتقل شدهاند را تهدید خواهد کرد. برای مقابله با احتمال چنین اختلالی، دولتها و شرکتها باید فوراً فهرستهایی از دادههایی که قبلاً در کانالهای آسیبپذیر افشا شدهاند، تهیه کنند و تعیین کنند که کدام یک در صورت رمزگشایی در چند سال آینده بالاترین ریسک را دارد. سازمانها باید سپس برای افشای احتمالی آماده شوند و برنامههای اضطراری برای حفاظت از داراییهای احتمالی افشا شده تهیه کنند.
یک دسته مهم از اسرار، اعتبارنامهها هستند، مانند رمزهای عبور یا کلیدهای احراز هویت. اگر یک مهاجم یک ارتباط حاوی این اعتبارنامهها را رمزگشایی کند، میتواند از آنها برای دسترسی از راه دور به سیستمهای حساس استفاده کند حتی اگر آن سیستمها بعداً رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم را به کار گیرند.
زمانی که یک شرکت یا دولت رمزنگاری پیشرفتهتری را برقرار کند، تمامی رمزهای عبور و کلیدهای احراز هویت قبلی باید تغییر یابند. دولتها و شرکتهای پیشرو در زیرساختهای دیجیتال همچنین باید برای احتمال توسعه یک کامپیوتر کوانتومی پیشرفته قبل از اینکه تمامی پروتکلهای اینترنتی رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم را به کار گیرند، آماده شوند. در این صورت، دولتها باید برنامههای اضطراری برای یک انتقال فوری تدوین کنند یا با خطر اختلالات قابل توجهی در صنایعی که به تراکنشهای امن وابستهاند، مواجه شوند. این برنامهها ممکن است شامل استقرار سریع رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم در بخشهای کلیدی مانند بانکداری و ارتباطات و کنار گذاشتن اتصال به سیستمهایی باشد که هنوز بهروزرسانی نشدهاند.
اگرچه رقابت بین ایالات متحده و چین بر سر فناوریهای کوانتومی شدید خواهد بود، اما این دو کشور به این نکته واقفند که باید از طریق نهادهایی مانند سازمان بینالمللی استانداردسازی و گروه مهندسی اینترنت همکاری کنند تا اطمینان حاصل کنند که پروتکلهای بنیادی آنها با یکدیگر سازگار هستند. هر دو کشور تمایل دارند از یک دنیای دیجیتال تکهتکه شده که در آن تجارت و لجستیک جهانی به دلیل عدم سازگاری مختل شود، جلوگیری کنند.
در واقع، رمزنگاران چینی در مسابقه جهانی الگوریتمها که توسط دولت ایالات متحده برگزار شد، شرکت کردند و محققان آمریکایی و اروپایی نیز در مسابقه باز چین شرکت کردند. اما چنین همکاری احتمالاً هرگز به مسائل سختافزاری گسترش نخواهد یافت. وقتی صحبت از فناوریهایی میشود که کاربردهای نظامی دارند، هر قدرت بزرگ مصمم خواهد بود که بر دیگری تسلط یابد.