Điện toán lượng tử, từng là một khái niệm lý thuyết, giờ đây đang nhanh chóng nâng cao và định hình lại hiểu biết của chúng ta về xử lý dữ liệu.

Không giống như các máy tính truyền thống sử dụng bit, máy lượng tử tận dụng qubit, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Điều này làm cho chúng hiệu quả hơn đáng kể so với các hệ thống máy tính truyền thống khi giải quyết các vấn đề phức tạp.

Đối với lĩnh vực blockchain, sự phát triển của công nghệ lượng tử đặt ra mối đe dọa đáng kể đối với các hệ thống mật mã làm nền tảng cho bảo mật blockchain. Các phương pháp mã hóa hiện tại, chẳng hạn như Rivest-Shamir-Adleman (RSA) và Mật mã đường cong Elliptic (ECC), được sử dụng rộng rãi trong các mạng như Bitcoin và Ethereum. 

Sức mạnh cốt lõi của chúng nằm ở sự phức tạp mà các hệ thống truyền thống không thể giải quyết được. Tuy nhiên, máy lượng tử tuyên bố có thể phá vỡ các hệ thống này, có khả năng khiến các mạng này dễ bị tấn công mà trước đây được cho là không thể xảy ra.

Với toàn bộ lĩnh vực bao gồm tiền điện tử, mã thông báo không thể thay thế (NFT) và các ứng dụng phi tập trung (DApp) đang gặp rủi ro, các biện pháp mã hóa kháng lượng tử là rất cần thiết. Khi chúng ta dần dần tiến tới kỷ nguyên hậu lượng tử, lĩnh vực blockchain phải đổi mới và thích ứng.

Để làm sáng tỏ những vấn đề này, Lisa Loud, Giám đốc điều hành của Secret Network Foundation và Chủ tịch Nhóm làm việc về thuật toán lượng tử IEEE SA, gần đây đã nói chuyện với crypto.news, thảo luận về ý nghĩa của điện toán lượng tử đối với bảo mật blockchain và cách giải quyết các mối đe dọa này.

Các cuộc tấn công điện toán lượng tử là gì và tại sao nó được coi là mối đe dọa đối với blockchain và tiền điện tử nói chung?

Các cuộc tấn công điện toán lượng tử giống như các cuộc tấn công vũ phu ngày nay ở chỗ khả năng thử các kết hợp khác nhau của chúng được tăng cường đáng kể so với các máy tính cổ điển. Nếu bạn có một ổ khóa kết hợp có ba chữ số, thì có khoảng một nghìn tổ hợp và một tên trộm kiên nhẫn có thể thử tất cả và mở khóa vali hoặc lấy trộm xe đạp của bạn. Khi bạn có mật khẩu trực tuyến gồm 12 ký tự, các hoán vị sẽ tăng lên 7212 mật khẩu có thể khác nhau mà con người không thể quản lý được – nhưng một máy tính cổ điển có thể thử tất cả chúng theo trình tự và cuối cùng tìm ra sự kết hợp phù hợp. Nếu bạn có một chiếc ví có khóa riêng được mã hóa, số lượng tùy chọn khả thi sẽ tăng lên 2256. Con số này là quá nhiều để máy tính cổ điển có thể quản lý, nhưng máy tính lượng tử có thể làm được điều đó. 

Đây là sự đơn giản hóa thực tế nhưng truyền tải khái niệm tại sao một cuộc tấn công máy tính lượng tử lại là mối đe dọa đối với chuỗi khối và tiền điện tử.  Nhiều đề xuất nhằm giải quyết mối đe dọa này phần lớn mang tính lý thuyết hoặc phụ thuộc vào giải pháp tạo ra các chuỗi khối mới với khả năng kháng lượng tử tự nhiên, nhưng điều này không thực tế khi có hàng triệu đô la gắn liền với các chuỗi khối hiện có. Thay vào đó, một số nhà nghiên cứu đang tập trung vào các khuôn khổ đầu cuối có thể áp dụng cho các chuỗi khối hiện có3. Một mối đe dọa tiềm tàng nhưng ít rõ ràng hơn là máy tính lượng tử có thể khai thác các khối nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, có khả năng tập trung sức mạnh khai thác. 

Liệu lĩnh vực blockchain có thể giải quyết những vấn đề này trước khi công nghệ điện toán lượng tử hoàn toàn sẵn sàng không?

Đây là những vấn đề mà chúng ta thấy ngày nay, nhưng ai biết được điều gì sẽ xảy ra khi điện toán lượng tử trở thành hiện thực. Chúng tôi biết rằng mật mã blockchain đang phát triển đặc biệt để chống lại những mối đe dọa này, nhưng câu hỏi lớn nhất là chúng tôi chưa nghĩ đến điều gì? Những mối đe dọa nào tồn tại mà ngày nay không rõ ràng nhưng sẽ chỉ xuất hiện khi chúng ta có hai công nghệ này trong cùng một không gian? Chúng tôi không biết câu trả lời, nhưng chúng tôi có thể chắc chắn một điều: sẽ có những vấn đề mới và bất ngờ cần giải quyết khi blockchain gặp phải điện toán lượng tử.

Về mặt lý thuyết, máy tính lượng tử có thể phá vỡ các thuật toán mã hóa RSA và Elliptic Curve; mối đe dọa đối với các nền tảng blockchain hiện tại như Bitcoin và Ethereum sắp xảy ra như thế nào?

Lĩnh vực mật mã lượng tử, mặc dù hứa hẹn về tiềm năng phá vỡ các mật mã hiện có, nhưng vẫn chưa sẵn sàng để triển khai thực tế. Đồng thời, mã hóa trên chuỗi tiếp tục phát triển và các nhà mật mã ngày nay nhận thức được mối đe dọa lượng tử sắp xảy ra. Do tập hợp các điều kiện này, việc phát triển các phương pháp mã hóa trên chuỗi mới coi các phương pháp chứng minh lượng tử là cần thiết. Ngày nay, không có mối đe dọa sắp xảy ra nào đối với Bitcoin hoặc Ethereum đơn giản vì phần cứng lượng tử phần lớn vẫn chỉ là một cấu trúc lý thuyết. 

Bạn cũng có thể thích: Trường hợp khẩn cấp lượng tử: Cuộc chạy đua với thời gian của Ethereum

Bạn có nghĩ các tiêu chuẩn mật mã có thể giúp bảo mật mạng blockchain trước các mối đe dọa lượng tử không? Chúng có thể được tích hợp vào các hệ thống hiện có như Bitcoin và Ethereum không?

Có nhiều thuật toán tiền điện tử khác nhau được thiết kế để xử lý kháng lượng tử, chẳng hạn như SPHINCS+. Trong khi tôi đang chủ trì một ủy ban tiêu chuẩn tại IEEE để xác định các phương pháp thực hành tốt nhất khi viết thuật toán lượng tử, thì có các nhóm làm việc khác tại IEEE và nhiều tổ chức tiêu chuẩn khác đang nghiên cứu các phương pháp thực hành tốt nhất để phát triển phần mềm kháng lượng tử. Blockchains sẽ có thể chuyển đổi thuật toán mã hóa sớm hơn nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Đặc biệt, các chuỗi có cơ cấu quản trị phù hợp sẽ thực hiện chuyển đổi dễ dàng hơn. Các chuỗi như Bitcoin hoặc Ethereum có thể mất nhiều thời gian hơn.

Những thách thức mà các chuỗi khối phi tập trung phải đối mặt khi chuyển sang mật mã hậu lượng tử là gì? Bí danh vốn có của các blockchain công khai có phải là vấn đề không?

Bí danh của người dùng blockchain không phải là vấn đề lớn ở đây – đó là sự phân phối các nút trên mỗi blockchain, trong đó Bitcoin là cực đoan nhất. Bất kỳ chiến lược giảm nhẹ nào nhằm làm cho Bitcoin có khả năng chống lượng tử gần như chắc chắn sẽ yêu cầu thay đổi định dạng địa chỉ ví. Cơ chế đồng thuận bằng chứng công việc của Bitcoin ít bị đe dọa ngay lập tức hơn, nhưng hệ thống địa chỉ của nó (dựa trên ECDSA – Thuật toán chữ ký số đường cong Elliptic) dễ bị tấn công và sẽ cần phải thay đổi. Về mặt lịch sử, đây là một quá trình lộn xộn tạo ra sự hỗn loạn và một số tổn thất.  Ethereum phải đối mặt với những thách thức tương tự với cấu trúc địa chỉ và phân phối rộng rãi, nhưng nó có lợi thế ở chỗ dễ nâng cấp hơn Bitcoin nhờ khả năng hợp đồng thông minh. 

Vì vậy, đúng vậy, sẽ có những thách thức trong việc chuyển bất kỳ chuỗi khối nào sang mật mã hậu lượng tử và việc phân phối chuỗi càng rộng thì càng khó vượt qua những thách thức này. Ví di chuyển chậm hơn có thể phải đối mặt với lỗ hổng cao hơn trước các cuộc tấn công lượng tử. Việc đảm bảo rằng các hệ thống hậu lượng tử có thể tương tác với các hệ thống cũ trong giai đoạn chuyển đổi sẽ yêu cầu duy trì hệ thống kép trong thời gian dài và cấu trúc khóa lớn hơn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chuỗi khối. 

Vì vậy, có mạng blockchain nào hiện có được trang bị cho quá trình chuyển đổi không? 

Một số blockchain được xây dựng gần đây có cách giảm thiểu dễ dàng hơn. Ví dụ: Cosmos được cấu hình theo cách có thể giúp việc di chuyển dễ dàng hơn. Tất cả các chuỗi được xây dựng trên Cosmos SDK có thể muốn chọn một thuật toán chứng minh lượng tử chung để giúp việc tích hợp ví dễ dàng hơn. Một số chuỗi được thiết kế đặc biệt để mã hóa dữ liệu chúng mang theo trong các giao dịch, chẳng hạn như Secret Network và Fhenix. Secret sử dụng các vỏ phần cứng bảo mật (chẳng hạn như TEE của Intel SGX) để bảo vệ dữ liệu được mã hóa trên chuỗi. Các mã hóa này có khả năng chống lại các cuộc tấn công lượng tử vì các vùng bảo mật có thể thay đổi sơ đồ mã hóa của chúng trong thời gian thực với một số tác động về hiệu suất. Fhenix sử dụng toán học – hoặc mã hóa đồng cấu hoàn toàn – để bảo mật dữ liệu trong sơ đồ mã hóa phức tạp có khả năng chống lượng tử. Công nghệ dành cho FHE vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng ngày nay, nhưng dòng thời gian của nó ngắn hơn nhiều so với dòng thời gian dành cho máy tính lượng tử. Điều này cho phép tương lai của các chuỗi khối được xây dựng nguyên bản với khả năng kháng lượng tử được tích hợp sẵn, sớm hơn nhiều so với thời điểm điện toán lượng tử sẵn sàng tấn công các chuỗi khối.

Lĩnh vực blockchain còn bao lâu trước khi mối đe dọa điện toán lượng tử trở nên không thể tránh khỏi?

Trong 10-20 năm tới, ngành công nghiệp [blockchain] cần được chuẩn bị đầy đủ. Nhiều chuyên gia tin rằng máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ các hệ thống mật mã hiện tại có thể xuất hiện trong khung thời gian này. Ngoài ra, nếu không được giải quyết, máy tính lượng tử có thể sẽ phá vỡ được hầu hết các hệ thống mật mã hiện tại được sử dụng trong chuỗi khối. Ngày mà điện toán lượng tử đe dọa sự mã hóa của Bitcoin và Ethereum là một tương lai không chắc chắn. Về thời điểm một máy tính có đủ phần cứng và phần mềm để xử lý các vấn đề phức tạp sẽ sẵn sàng, dựa trên mô hình hóa số lượng qubit được phát triển từ năm 2014 và dự đoán dòng thời gian đó1, ước tính sớm nhất là năm 2035 và một số người nói muộn hơn nhiều, cho đến năm đó 2050. 

Đọc thêm: Vitalik Buterin phác thảo các biện pháp đối phó của Ethereum đối với các cuộc tấn công lượng tử