امنیت دارایی و تراکنش‌ها در رمزارزها از جمله بیت‌کوین، مبتنی بر امضای دیجیتالی است که از دشواری حل مساله لگاریتم گسسته (در خم‌های بیضوی) برای کامپیوترهای کلاسیک ناشی می‌شود. اما الگوریتم‌های کوانتومی مانند الگوریتم شور (Shor) برای تجزیه اعداد یا مشابه آن برای حل مساله لگاریتم گسسته (در خم‌های بیضوی) پیچیدگی حل این مسائل را برای کامپیوترهای کوانتومی به زمان چندجملهای کاهش می‌دهد و در نتیجه میتواند امنیت تراکنش‌ها و دارایی‌های دیجیتال را با به دست آوردن کلید خصوصی کاربران با استفاده از کلید عمومی آن‌ها تهدید کند.
کلید عمومی و سناریوهای حمله کوانتومی
کلید عمومی کاربران شبکه‌های بلاکچین از جمله بیت‌کوین به شکل‌های مختلف در دسترس قرار می‌گیرد. از جمله در اسکریپت‌هایی که کلید عمومی را در شبکه بلاکچین ذخیره می‌کنند (مانند P2PK)، کلید عمومی را صریحا در شبکه بلاکچین ذخیره می‌کنند که امکان حملات با زمان زیاد (At-Rest) را حتی با الگوریتم‌ها و کامپیوترهای کوانتومی کند هم ممکن می‌کنند. در اسکریپت‌هایی که کلید عمومی را به صورت هش‌شده در بلاکچین ذخیره می‌کنند (مانند P2PKH)، امکان بازیابی کلید عمومی از روی داده هش‌شده ممکن نیست اما اگر این کلید عمومی قبلا برای یک تراکنش دیگر استفاده شده باشد، قابلیت بازیابی آن برای حمله‌کننده و در نتیجه به دست آوردن کلید خصوصی وی و انتقال دارایی‌های او به کیف پول خودش ایجاد می‌شود. در هر صورت، در کلیه اسکریپت‌ها در مرحله ارسال تراکنش توسط کاربران و درخواست برای ثبت آن‌ها در بلاکچین بعدی، تا زمانی که شبکه در حال بررسی درخواست‌ها هستند و تراکنش مورد نظر توسط ماینرها به بلاکچین اضافه نشده است، کلید عمومی کاربر در استخر حافظه (mempool) در معرض دسترس همه افراد شبکه از جمله سارقین است. که امکان حمله در پرداخت (On-Spend) را برای آن‌ها فراهم می‌کند.
آیا استخراج بیت‌کوین نیز در معرض تهدید کوانتومی است؟
با وجودی که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند امنیت امضای دیجیتال و در نتیجه مالکیت رمزارزها را تهدید کنند، اما در شبکه‌هایی که از اثبات کار (Proof of Work یا PoW) برای تایید تراکنش‌ها استفاده می‌کنند (مانند بیت‌کوین) به نظر می‌رسد فرایند ساخت و تایید بلاکچین توسط ماینرها به این زودی مورد تهدید قرار نمی‌گیرند. چرا که الگوریتم جستجوی کوانتومی گرور (Grover) تنها بهینه‌سازی درجه دوم ایجاد می‌کنند که با سربار محاسبات مورد نیاز برای تصحیح خطای کوانتومی از بین می‌رود. به علاوه الگوریتم گرور امکان موازی‌سازی ندارد در حالی که ماشین‌های کلاسیک که برای ماین استفاده می‌شود (مانند ASIC) با موازی‌سازی گسترده فرایند محاسبه هش‌ها، سرعتی معادل صدها برابر پیاده‌سازی‌های کوانتومی از الگوریتم گرور روی کامپیوترهایی که تا دهه‌های آینده ساخته می‌شود، فراهم می‌کنند.
چه سخت‌افزار کوانتومی برای شکستن امضاهای فعلی لازم است؟
اگرچه الگوریتم شور امکان شکستن الگوریتم‌های امضای دیجیتال فعلی را به لحاظ نظری فراهم می‌کنند اما اجرای آن‌ها برای الگوریتم‌های امضای دیجیتال خم‌های بیضوی که از طول کلید ۲۵۶ بیت استفاده می‌کنند، نیاز به سخت افزارهای کوانتومی است که فعلا در دسترس نیستند. از جمله یک تخمین اولیه برای تعداد کیوبیت‌های منطقی مورد نیاز ۱۴۵۰ و تعداد گیت‌های Toffoli ۷۰ میلیون است که به ترتیب پیچیدگی سخت‌افزار مورد نیاز و زمان اجرای حمله را تحت تاثیر قرار می‌دهند. چنین ترکیبی با کدهای تصحیح خطای فعلی با ۰.۵ میلیون کیوبیت فیزیکی قابل دسترس است. چنین سخت‌افزاری قابلیت شکستن امضای دیجیتال با طول کلید ۲۵۶ بیت را در ۱۸ دقیقه ایجاد می‌کند که نیمی از آن در مرحله پیش‌پردازش انجام می‌شود و در نتیجه با به دست آوردن کلید خصوصی در حدود ۹ دقیقه امکان جعل تراکنش‌ها در بیت‌کوین (که زمان ایجاد بلاک جدید حدود ۱۰ دقیقه است) و سرقت دارایی‌های در معرض انتقال را فراهم می‌کند.
برای مقابله با این تهدیدات امنیتی ناشی از کامپیوترهای کوانتومی، راه حل موقت استفاده از اسکریپت‌هایی است که کلید عمومی را به صورت هش شده در بلاکچین ذخیره می‌کنند و همین‌طور عدم استفاده مجدد از یک آدرس در تراکنش‌هاست. اما راه حل نهایی مهاجرت به اسکریپت‌هایی که امنیت تراکنش‌ها را بر اساس امضاهای دیجیتال مبتنی بر الگوریتم‌های رمزنگاری پساکوانتومی فراهم می‌کنند.
رمزنگاری پساکوانتومی و استانداردهای جدید
رمزنگاری پساکوانتوم (Post-Quantum Cryptography یا PQC) مجموعه‌ای از الگوریتم‌های رمزنگاری است که با هدف مقاومت در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی طراحی شده‌اند و مهم‌ترین انواع آن شامل رمزنگاری مبتنی بر شبکه‌های جبری (Lattice-based)، رمزنگاری مبتنی بر کدهای تصحیح خطا (Code-based) و رمزنگاری مبتنی بر توابع هش (Hash-based) است. مؤسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا (NIST) در اوت ۲۰۲۴ سه استاندارد اصلی را نهایی کرد. افزون بر این، NIST در مارس ۲۰۲۵ الگوریتم HQC مبتنی بر کد را برای استانداردسازی به‌عنوان گزینه‌ای مکمل برای تبادل کلید انتخاب کرد و الگوریتم Falcon نیز برای تدوین استاندارد امضای دیجیتال دیگری در دست توسعه قرار گرفت که در حال حاضر در بعضی شبکه‌های بلاکچین مانند Algorand مورد استفاده قرار می‌گیرد. این استانداردها برای کاهش خطر ناشی از پیشرفت رایانه‌های کوانتومی طراحی شده‌اند، اما انتخاب الگوریتم مناسب به کاربرد، نیازهای امنیتی و محدودیت‌های اجرایی بستگی دارد.
چالش مهاجرت بلاکچین‌ها به عصر پساکوانتوم
البته چالش‌هایی از قبیل طول کلید بزرگتر نسبت به الگوریتم‌های خم‌های بیضوی، محاسبات بیشتر و ... در مهاجرت به پروتکل‌های پساکوانتومی وجود دارد که باید برای کاربرد خاص بلاکچین برای آن‌ها راه‌حل‌هایی یافت. با این وجود شبکه‌هایی از جمله Algorand، Solana و XRP این فرایند مهاجرت به پروتکل‌های پساکوانتومی را پیاده‌سازی کرده‌اند و شبکه‌هایی مانند QRL، Mochimo و Abelian از ابتدا بر اساس این پروتکل‌ها شکل گرفته‌اند که امکان‌پذیری آن را نشان می‌دهد.
چرا باید از امروز برای دوران پساکوانتوم آماده شد؟
در پایان، باید به این موضوع توجه داشت که اگر چه شکستن رمز و جعل امضای دیجیتال رمزارزها با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی فعلا ممکن نیست، اما برای طراحی و اجرای تمهیدات امنیتی نباید منتظر عبور از خط قرمزهایی مثل شکستن رمزارزهای با طول کلید ۳۲ یا غیره شد. چرا که ممکن است قابلیت کامپیوترهای کوانتومی از جهت تعداد بیت‌های منطقی بسیار سریع رشد کنند و زمان لازم برای رسیدن از شکستن ۶ بیت به ۳۲ بیت لزوما معادل زمان رسیدن از ۳۲ بیت به ۲۵۶ بیت نباشد. به علاوه ایجاد بلاکچین جدید در شبکه برای تایید تراکنش‌ها فرایندی زمانبر است. بنابراین انتقال همه رمزارزهای فعلی به آدرس‌های جدید که از پروتکل‌های پساکوانتومی استفاده می‌کنند، ماه‌ها و بلکه سال‌ها زمان می‌برد. و البته برای دارایی‌هایی که به دلایلی از جمله گم شدن کلید خصوصی آن‌ها قابل دسترسی و انتقال به آدرس‌های جدید نیستند، باید تمهیداتی سنجیده شود.