Mã hóa bất đối xứng và an ninh mạng

Mã hóa bất đối xứng, còn được gọi là "mật mã khóa công khai," là thành phần quan trọng của hệ sinh thái tiền mã hóa và phần lớn cơ sở hạ tầng internet. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên một cặp khóa để mã hóa và giải mã thông tin—khóa công khai dùng để mã hóa, khóa riêng tư dùng để giải mã. Ngược lại, mã hóa đối xứng chỉ sử dụng một khóa duy nhất cho cả hai quá trình.

Khóa công khai có thể được chia sẻ tự do, và thông tin được mã hóa bằng nó chỉ có thể được giải mã bằng khóa riêng tư tương ứng, đảm bảo chỉ người nhận dự định mới có thể truy cập.

Một lợi thế lớn của mã hóa bất đối xứng là cho phép trao đổi thông tin an toàn mà không cần chia sẻ khóa qua các kênh không đáng tin. Nếu thiếu yếu tố này, an ninh cơ bản của internet sẽ không thể thực hiện được. Ví dụ, các bên không tin cậy sẽ không thể mã hóa thông tin một cách an toàn, khiến các khái niệm như ngân hàng trực tuyến trở nên không tưởng.

Một phần cơ chế bảo mật của mã hóa bất đối xứng dựa trên tiền đề rằng các thuật toán tạo cặp khóa làm tăng đáng kể độ khó khi suy ra khóa riêng tư từ khóa công khai, trong khi việc suy ra khóa công khai từ khóa riêng tư lại tương đối dễ dàng. Trong toán học, đây được gọi là "hàm cửa sập"—dễ tính toán một chiều nhưng rất khó ngược lại.

Hầu hết các thuật toán hiện đại tạo cặp khóa ngày nay đều dựa trên các hàm cửa sập toán học đã biết. Phá vỡ các hàm này đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ và thời gian dài. Ngay cả những máy tính mạnh nhất hiện nay cũng cần rất nhiều thời gian để thực hiện các phép tính này.

Tuy nhiên, nếu máy tính lượng tử được phát triển thành công, tình hình sẽ thay đổi đáng kể. Để hiểu tại sao máy tính lượng tử mạnh mẽ như vậy, trước tiên cần nắm rõ nguyên lý hoạt động của máy tính cổ điển.

Máy tính cổ điển

Những máy tính chúng ta biết hiện nay được gọi là "máy tính cổ điển." Chúng thực hiện các phép tính tuần tự—một tác vụ phải hoàn thành trước khi tác vụ tiếp theo bắt đầu. Lý do là bộ nhớ của máy tính cổ điển tuân theo các định luật vật lý, chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1 (tắt hoặc mở).

Thông qua các phương pháp phần cứng và phần mềm khác nhau, máy tính có thể phân giải các phép tính phức tạp để nâng cao hiệu suất. Tuy nhiên, bản chất vẫn không thay đổi: các tác vụ tính toán phải được thực hiện lần lượt.

Máy tính lượng tử

Một loại máy tính khác đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Khi công nghệ này hoàn thiện, việc giải quyết các vấn đề phức tạp hiện nay sẽ trở nên dễ dàng—đó chính là máy tính lượng tử. Nó dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, tập trung vào hành vi của các hạt hạ nguyên tử.

Trong máy tính cổ điển, thông tin được biểu diễn bằng "bit," có thể là 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử sử dụng "qubit" làm đơn vị thông tin cơ bản. Giống như bit, qubit có thể ở trạng thái 0 hoặc 1. Tuy nhiên, hiện tượng đặc thù của cơ học lượng tử cho phép qubit tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái 0 và 1.

Chính vì tiềm năng này, nhiều trường đại học và công ty tư nhân đang tích cực tham gia nghiên cứu máy tính lượng tử. Họ đầu tư nhiều thời gian và tiền bạc để giải quyết các vấn đề lý thuyết trừu tượng và kỹ thuật thực tế, đẩy xa ranh giới công nghệ của nhân loại.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử cũng có "tác dụng phụ": khả năng phá vỡ dễ dàng các thuật toán nền tảng của mã hóa bất đối xứng, đe dọa mọi hệ thống phụ thuộc vào nó.
Mật mã hậu lượng tử

Công nghệ tính toán lượng tử có thể vượt qua hàng rào mã hóa của cơ sở hạ tầng số hiện đại, bao gồm cả tiền mã hóa.

Từ người dùng cá nhân đến chính phủ và các tập đoàn đa quốc gia, an ninh, vận hành và truyền thông toàn cầu sẽ bị ảnh hưởng. May mắn thay, các nhà nghiên cứu không "ngồi chờ chết"—họ đang tích cực điều tra và phát triển các biện pháp đối phó. Các thuật toán mã hóa có khả năng chống lại máy tính lượng tử được gọi là "thuật toán mật mã hậu lượng tử."

Về cơ bản, chỉ cần tăng độ dài khóa, chúng ta có thể giảm thiểu rủi ro bị máy tính lượng tử tấn công thông qua mã hóa đối xứng. Mã hóa bất đối xứng đã thay thế mã hóa đối xứng để tránh rủi ro khi chia sẻ khóa trên kênh công cộng. Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính lượng tử có thể khiến mã hóa đối xứng trở nên quan trọng trở lại.

Vấn đề an ninh khi chia sẻ khóa công khai trên kênh công cộng có thể được giải quyết nhờ mật mã lượng tử. Lĩnh vực chống nghe lén đã có những tiến bộ đáng kể. Sử dụng cùng nguyên lý phát triển máy tính lượng tử, chúng ta có thể phát hiện kẻ nghe lén trên kênh công cộng và xác định xem khóa đối xứng chia sẻ có bị bên thứ ba xem hoặc sửa đổi hay không.

Ngoài ra, các biện pháp khác chống lại tấn công lượng tử cũng đang được nghiên cứu. Các phương pháp như mã hóa dựa trên hàm băm và mật mã lattice đều là những giải pháp hiệu quả. Mục tiêu của tất cả nghiên cứu này là tìm ra các loại mã hóa mà máy tính lượng tử khó phá vỡ.

Máy tính lượng tử và đào Bitcoin

Đào Bitcoin cũng sử dụng cơ chế mã hóa. Các thợ đào cạnh tranh giải các bài toán mật mã để nhận phần thưởng khối. Nếu một thợ đào sử dụng máy tính lượng tử, họ có thể thống trị toàn bộ mạng, làm mất tính phi tập trung và khiến mạng dễ bị tấn công 51%.

Tuy nhiên, một số chuyên gia cho rằng đây không phải là mối đe dọa cấp bách. Các mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) có thể làm giảm hiệu quả của các cuộc tấn công này, ít nhất là trong tương lai gần. Ngoài ra, nếu nhiều thợ đào sử dụng máy tính lượng tử, rủi ro tấn công cũng sẽ giảm đáng kể.

Kết luận

Khi máy tính lượng tử ngày càng phát triển, việc mã hóa bất đối xứng bị đe dọa dường như chỉ là vấn đề thời gian. Tuy nhiên, chúng ta chưa cần quá lo lắng vì lĩnh vực này vẫn còn nhiều thách thức lý thuyết và kỹ thuật cần giải quyết.

An ninh thông tin sắp đối mặt với mối đe dọa lớn, vì vậy mọi người nên chuẩn bị từ sớm để ứng phó với các cuộc tấn công trong tương lai. May mắn thay, nhiều người đang nghiên cứu cách triển khai giải pháp cho các hệ thống hiện có. Về lý thuyết, các biện pháp này sẽ bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng khỏi mối đe dọa từ máy tính lượng tử.

Giống như mã hóa end-to-end đã được áp dụng rộng rãi trong trình duyệt và phần mềm nhắn tin, các tiêu chuẩn hậu lượng tử có thể được triển khai trên quy mô lớn trong lĩnh vực công. Khi các tiêu chuẩn này được thiết lập, hệ sinh thái tiền mã hóa có thể dễ dàng tích hợp các biện pháp phòng thủ mạnh nhất để chống lại các vectơ tấn công từ bên ngoài.