بحران امنیت ملی کوانتومی در راه است

هر دو دهه یک‌بار، یک فناوری جدید امنیت ملی را دگرگون می‌کند. در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰، بمب‌های اتمی و هیدروژنی، بازدارندگی هسته‌ای را ایجاد کردند. در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، میکروالکترونیک منجر به خلق تسلیحات پنهان‌کار (Stealth) و دقیق، و شبکه‌های دیجیتال اولیه شد. در دهه ۱۹۹۰، اینترنت و استقرار سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) ارتباطات را دگرگون کرد. اکنون، البته هوش مصنوعی نیروی محرکه تسلیحات خودکار و تقویت‌کننده قابلیت‌های سایبری است، اما به زودی، این فناوری‌های کوانتومی خواهند بود که حوزه‌های بی‌شماری را از افشای اسرار امنیت ملی تا نمایش قدرت نظامی، متحول می‌کنند.

فناوری‌های کوانتومی با بهره‌گیری از رفتار عجیب ذرات بسیار کوچک کار می‌کنند. بنابراین، آنها می‌توانند کار‌هایی را انجام دهند که فناوری‌های متعارف قادر به انجام آن نیستند، مانند اندازه‌گیری دقیق موقعیت در حالی که کاملاً آفلاین هستند و، در تئوری، شکستن رمزگذاری‌هایی که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک ابررایانه کلاسیک برای شکستن یک رمزگذاری رایج، موسوم به کلید RSA با طول ۲۰۴۸ بیت، به حدود ۳۰۰ تریلیون سال و «نیروی بی‌رحمانه» نیاز دارد. در مقابل، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند به طور نظری همان کلید را که برای محافظت از سوابق پزشکی، تراکنش‌های مالی و اسرار دولتی استفاده می‌شود، در کمتر از هشت ساعت رمزگشایی کند. نوآوری‌ها در زمینه سنجش کوانتومی به زودی ارتش‌ها را قادر می‌سازد تا در محیط‌های «محروم از GPS» (GPS-denied environments) که سیگنال‌های ماهواره‌ای مسدود، مختل یا در دسترس نیستند، عملیات انجام دهند.

اگرچه این آینده دور به نظر می‌رسد، اما این‌طور نیست. بر اساس گزارش‌های آژانس‌های اطلاعاتی ایالات متحده، دشمنان ایالات متحده در حال حاضر در حال جمع‌آوری داده‌های رمزگذاری شده آمریکا به این امید هستند که هنگامی که قابلیت‌های کوانتومی را به دست آورند – چه پنج یا ده سال دیگر – بتوانند آن را بخوانند. چین به طور خاص در حال سرمایه‌گذاری در ارتباطات کوانتومی و ابزار‌های رمزگذاری است. واشنگتن و متحدانش باید تمام تلاش خود را برای پیروزی در مسابقه کوانتومی انجام دهند و همزمان برای جهانی آماده شوند که در آن پکن یا مسکو ابتدا یک کامپیوتر کوانتومی بسازند. فوری‌ترین اقدام، رمزگذاری اسرار امروز با رمزنگاری پیشرفته‌تری است که در آینده قابل شکستن نباشد.

یک جهش کوانتومی

از آنجا که محاسبات کوانتومی پتانسیل شکستن رمزگذاری‌هایی را دارد که به طور گسترده توسط دولت‌ها و افراد مورد استفاده قرار می‌گیرد، تهدید ناشی از آن برای امنیت ملی به سختی قابل اغراق است. رمزنگاری که امروزه بخش زیادی از اینترنت را امن می‌کند، به دشواریِ کامپیوتر‌های متعارف در حل مسائل ریاضی خاص، مانند فاکتورگیری اعداد بسیار بزرگ، متکی است. با این حال، انتظار می‌رود کامپیوتر‌های کوانتومی برخی از این محاسبات را بسیار کارآمدتر انجام دهند و مهاجمان را قادر سازند تا کد‌ها را شکسته و داده‌های حساس را به سرقت ببرند.

تاکنون هیچ‌گونه ماشینی وجود ندارد و پیش‌بینی زمان آنلاین شدن آنها دشوار است. اما پیشرفت‌های اخیر نشان می‌دهد که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند حداقل برخی از اشکال رمزگذاری‌های رایج را در چند سال آینده بشکند.

مهم‌تر از آن، رقبای ایالات متحده منتظر ظهور یک کامپیوتر کوانتومی ننشسته‌اند. چین و روسیه در حال حاضر اسرار رمزگذاری شده آمریکا را جمع‌آوری کرده‌اند و شرط بسته‌اند که بخشی از این اطلاعات پس از دستیابی به ابزار‌های رمزگشایی، همچنان مرتبط خواهد بود.

پیامد‌های فناوری‌های کوانتومی برای امنیت ملی فراتر از رمزگذاری است. حسگر‌های کوانتومی می‌توانند زمان و تفاوت در میدان‌های گرانشی و مغناطیسی را با حساسیت و دقت بی‌سابقه اندازه‌گیری کنند. این حسگر‌ها می‌توانند در نهایت برای تشخیص وسایل نقلیه پنهان‌کار یا هدایت ارتش‌ها در محیط‌های محروم از GPS مورد استفاده قرار گیرند. این امر به ویژه برای ایالات متحده مفید است، زیرا چین در زمینه اختلال در GPS، که ارتش آمریکا و متحدانش برای مهمات هدایت‌شونده دقیق و پهپاد‌ها به آن متکی هستند، پیشرفت‌هایی کرده است. به طور تاریخی، اگر کشوری GPS را که متعلق به دولت ایالات متحده است، مختل می‌کرد، خطر مختل کردن نیرو‌های خود را داشت، اما چین اکنون ناوگان ماهواره‌ای ناوبری BeiDou-۳ خود را دارد که به آن امکان می‌دهد فرستنده‌های قدرتمند پارازیت GPS را در سراسر میادین نبرد، مانند دریای چین جنوبی، مستقر کند، در حالی که دارایی‌هایش عملیاتی باقی می‌مانند. حسگر‌های کوانتومی، با این حال، مسیری برای دور زدن سیستم چین ارائه می‌دهند، زیرا منبع محلیِ موقعیت‌یابی و زمان‌بندی دقیق را بدون وابستگی به GPS یا هیچ سیگنال ماهواره‌ای فراهم می‌کنند.

تاکنون، در زمینه کوانتوم، ایالات متحده برتری فنی در سخت‌افزار را حفظ کرده است و بخش عمده‌ای از پیشرفت آن توسط شرکت‌های خصوصی، از جمله IBM، Google و استارتاپ‌های مختلف هدایت می‌شود. در مقابل، چین کوانتوم را به عنوان یکی از اولویت‌های اصلی خود در برنامه پنج ساله ۲۰۲۶-۲۰۳۰ شناسایی کرده و بیشتر تحقیقات و توسعه خود را تحت مراکز هدایت‌شده توسط دولت، مانند آزمایشگاه ملی هفئی، متمرکز کرده است. اگرچه سرمایه‌گذاری‌های اولیه چین بر ایجاد یک شبکه ارتباطی کوانتومی امن متمرکز بود، اما این کشور طی چند سال گذشته در زمینه محاسبات کوانتومی نیز پیشرفت‌هایی داشته است و در حال حاضر حسگر‌های کوانتومی را برای زیردریایی‌ها و هواپیما‌های پنهان‌کار خود توسعه می‌دهد؛ انگیزه‌اش چشم‌انداز سیستم‌هایی است که هم از فناوری‌های سنتی پیشی می‌گیرند و هم از کنترل‌های صادراتی فعلی رها هستند.

تهدید کوانتومی برای امنیت ملی به سختی قابل اغراق است.

با گسترش رقابت ایالات متحده و چین فراتر از حوزه تحقیقات محض و ورود به سرمایه‌گذاری‌های چند میلیارد دلاری در سخت‌افزار تخصصی، بلوک‌های فناوری رقیب نیز در حال ظهور هستند. به عنوان مثال، ایالات متحده به متحدان پیشرو در زمینه کوانتوم مانند فرانسه، ژاپن و بریتانیا پیوسته تا «گروه توسعه کوانتومی» ۱۳ ملتی را تشکیل دهد؛ با هدف تأمین امنیت زنجیره‌های تأمین جهانی و محافظت از منافع امنیت ملی در برابر تهدیدات کوانتومی نوظهور. در همین حال، چین در حال همکاری با کشور‌های عضو بریکس، به ویژه روسیه است که دارای قابلیت‌های درجه یک در علوم فیزیک، ریاضیات و رمزنگاری است.

اطلاعات کمی در مورد تلاش‌های کوانتومی روسیه به صورت عمومی در دسترس است. اگرچه این کشور بر توسعه ابزار‌های نظامی برای جنگ در اوکراین تمرکز دارد، اما در توسعه الگوریتم‌هایی برای رمزگذاری که ممکن است به آن در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کوچک‌تر، اما همچنان توانمند، کمک کند، پیشرفته است. از زمان تهاجم تمام‌مقیاس خود به اوکراین در سال ۲۰۲۲، روسیه روابط نزدیک‌تری با چین برقرار کرده است. در اواخر سال ۲۰۲۳، این دو کشور آنچه را که «پیوند کوانتومی امن» نامیدند، به نمایش گذاشتند؛ اطلاعات را به طور آنی بین ماهواره‌های چینی و ایستگاه‌های زمینی چینی و روسی در فاصله ۲۴۰۰ مایلی با ریسک ظاهریِ صفرِ استراق سمع منتقل کردند. (از آنجا که ارتباطات کوانتومی به خواص فیزیکی ذرات کوانتومی متکی است، خود عمل استراق سمع سیگنال را مختل کرده و فوراً هر دو طرف را از اینکه ارتباط به خطر افتاده است، آگاه می‌کند.) در اوایل سال ۲۰۲۵، چین نمایشی مشابه با آفریقای جنوبی انجام داد و ایستگاه‌هایی را در فاصله بیش از ۸۰۰۰ مایلی به هم متصل کرد.

دانشمندان در ایالات متحده و اروپا ارزش این فناوری‌ها را زیر سوال می‌برند، زیرا آنها به رمزگذاری سنتی برای احراز هویت هر دو سر پیوند نیاز دارند و بنابراین همچنان آسیب‌پذیری‌هایی دارند. با این حال، این نمایش‌ها با اعضای دیگر بریکس نشان می‌دهد که پکن ممکن است در حال پایه‌ریزی همکاری گسترده‌تر کوانتومی در این بلوک باشد، شاید تا محاسبات و سنجش را نیز در بر گیرد.

شکست‌دهندگان کد

واشنگتن در حال حاضر اقداماتی را برای آماده‌سازی برای جهانی که در آن دشمنانش دارای فناوری‌های کوانتومی هستند، آغاز کرده است. از سال ۲۰۱۶، رمزنگاران در سراسر جهان در پروژه‌ای توسط مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) برای توسعه الگوریتم‌های جدیدی که قادر به مقاومت در برابر حملات کامپیوتر‌های کوانتومی باشند، رقابت کردند. در اوت ۲۰۲۴، این مؤسسه مجموعه‌ای اولیه از این الگوریتم‌ها را استاندارد کرد که شرکت‌های بزرگ زیرساخت اینترنت شروع به استقرار بین‌المللی آنها کردند. هر شرکت بزرگ اینترنتی، از جمله گوگل و فیس‌بوک، تا حدی از رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم استفاده می‌کند. اما این استاندارد‌های جدید هنوز به سایر پروتکل‌های اینترنت، از جمله سیستم‌هایی که وب‌سایت‌ها را به عنوان امن برای استفاده تأیید می‌کنند، گسترش نیافته‌اند. 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 زودتر از آن ضرب‌الاجل، رمزگذاری دولتی را بشکنند. یک مقاله اخیر از گوگل نشان می‌دهد که شکستن نوعی رمزنگاری که بیشتر ارتباطات اینترنتی را امن می‌کند، ممکن است به منابع بسیار کمتری نسبت به آنچه قبلاً تصور می‌شد، نیاز داشته باشد. گوگل جدول زمانی ارتقاء خود به رمزنگاری ایمن کوانتومی را به سال ۲۰۲۹ تسریع کرده و دیگران را به پیروی از آن ترغیب می‌کند.

حتی اگر انتقال به این الگوریتم‌های ضد کوانتومی پیش از اختراع یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً توانمند تکمیل شود، حجم عظیمی از مطالب حساس که چین و روسیه در حال حاضر جمع‌آوری کرده‌اند، احتمالاً به خطر افتاده است. البته، برخی از اطلاعاتی که اکنون جمع‌آوری می‌شود، تا زمانی که بتوانند آن را رمزگشایی کنند، بی‌فایده خواهد بود. به عنوان مثال، موقعیت نیرو‌های آمریکایی امروز تا سال ۲۰۳۰ تغییر خواهد کرد. اما سایر اطلاعات بسیار حساس، از جمله اسرار طراحی هسته‌ای، برای مدت طولانی مرتبط خواهند بود و در صورت انباشته شدن و در نهایت رمزگشایی توسط دشمنان، بیشترین خطر را ایجاد می‌کنند.

برای پرداختن به چالش‌های امنیت ملی کوانتوم، ایالات متحده و متحدانش باید با امن‌سازی «پشته کوانتومی» (quantum stack) داخلی آغاز کنند – بنابراین اطمینان حاصل کنند که سخت‌افزار، مواد و مالکیت معنوی مورد نیاز برای فناوری‌های کوانتومی تحت کنترل مستقیم آنها باقی می‌ماند. ایالات متحده باید از کنترل‌های صادراتی برای محافظت از الکترونیک تخصصی، یخچال‌ها، هلیوم و ایزوتوپ‌های سیلیکونی که فناوری‌های کوانتومی را تشکیل می‌دهند، استفاده کند. آژانس‌های اطلاعاتی ایالات متحده و متحدان نیز باید حفاظت از مالکیت معنوی کوانتومی بخش خصوصی در برابر جاسوسی صنعتی را با به اشتراک‌گذاری تهدیدات و توصیه‌های امنیت سایبری با شرکت‌های آمریکایی و متحد، و الزام شرکت‌ها به استقرار دفاع سایبری سطح بالا، در اولویت قرار دهند.

حسگر‌های کوانتومی می‌توانند در نهایت برای تشخیص وسایل نقلیه پنهان‌کار مورد استفاده قرار گیرند.

اما این کافی نیست. ایالات متحده باید یک تلاش جهانی واقعی را برای ارتقاء تمام پروتکل‌های اینترنت به رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم رهبری کند. حتی اگر تنها یک کشور از استاندارد رمزنگاری پایین‌تری استفاده کند، یک حلقه ضعیف در تجارت جهانی ایجاد می‌کند. به این منظور، مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) باید یک تلاش مشترک با آژانس امنیت سایبری اتحادیه اروپا و نهاد‌های معادل در آسیا برای توسعه الگوریتم‌های قابل همکاری رهبری کند – و سپس چنین 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 اندازه‌ی کافی پیشرفته برای شکستن رمزنگاری امروزی اختراع کند. اما اگر یکی در کوتاه‌مدت تا میان‌مدت توسعه یابد، امنیت سیستم‌های فعلی و اطلاعاتی را که در گذشته منتقل شده است، تهدید خواهد کرد. برای مقابله با احتمال چنین اختلالی، دولت‌ها و شرکت‌ها باید فوراً موجودی داده‌هایی را که قبلاً در کانال‌های آسیب‌پذیر افشا شده‌اند، جمع‌آوری کرده و تعیین کنند که کدام یک در صورت رمزگشایی در چند سال آینده، بالاترین خطر را دارد. سپس سازمان‌ها باید برای افشای احتمالی آماده شوند و برنامه‌های اضطراری برای محافظت از دارایی‌های در معرض خطر احتمالی تهیه کنند.

یک دسته مهم از اسرار، اعتبارنامه‌ها، مانند گذرواژه‌ها یا کلید‌های احراز هویت هستند. اگر مهاجمی یک اتصال حاوی این اعتبارنامه‌ها را رمزگشایی کند، می‌تواند از آن برای دسترسی از راه دور به سیستم‌های حساس استفاده کند، حتی اگر آن سیستم‌ها متعاقباً رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم را مستقر کنند. هنگامی که یک شرکت یا دولت رمزگذاری پیشرفته‌تری را ایجاد می‌کند، تمام گذرواژه‌ها و کلید‌های احراز هویت قبلی باید تغییر کنند. دولت‌ها و شرکت‌های پیشرو در زیرساخت دیجیتال همچنین باید برای این احتمال آماده باشند که یک کامپیوتر کوانتومی پیشرفته قبل از پذیرش تمام پروتکل‌های اینترنت توسط رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم، توسعه یابد. در این صورت، دولت‌ها باید برنامه‌های اضطراری برای انتقال اضطراری داشته باشند، در غیر این صورت خطر اختلالات قابل توجهی در صنایع متکی به تراکنش‌های امن وجود دارد. این برنامه‌ها ممکن است شامل استقرار سریع رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم به بخش‌های کلیدی، مانند بانکداری و ارتباطات، و رها کردن اتصال به سیستم‌هایی باشد که هنوز ارتقا نیافته‌اند.

اگرچه رقابت بین ایالات متحده و چین بر سر فناوری‌های کوانتومی شدید خواهد بود، اما این دو کشور اذعان دارند که باید از طریق نهاد‌هایی مانند سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO) و نیروی مهندسی اینترنت (IETF) همکاری کنند تا اطمینان حاصل شود که پروتکل‌های اساسی آنها قابل همکاری هستند. هر دو کشور مشتاق اجتناب از یک دنیای دیجیتال پراکنده هستند که در آن تجارت و لجستیک جهانی توسط ناسازگاری مختل می‌شود. در واقع، رمزنگاران چینی در مسابقه جهانی الگوریتم‌های دولتی ایالات متحده شرکت کردند و محققان آمریکایی و اروپایی نیز در مسابقه باز چین همین کار را انجام دادند. اما چنین همکاری احتمالاً هرگز به مسائل سخت‌افزاری گسترش نخواهد یافت. هنگامی که صحبت از فناوری‌هایی با کاربرد‌های نظامی به میان می‌آید، هر قدرت بزرگی مصمم خواهد بود که بر دیگری تسلط یابد.