Quantum-Aware Key Rank for Side-Channel Attacks evaluation

في عالم الأمن الرقمي، تُختبر قوة الرمز السري غالباً من خلال محاولة سرقة المفتاح، ليس عبر كسر الرياضيات، بل عبر الاستماع إلى الآلة. عندما يقوم الكمبيوتر بتشفير البيانات، فإنه يسرب كميات ضئيلة من المعلومات من خلال استهلاك الطاقة أو الإشارات الكهرومغناطيسية. يلتقط خبراء الأمن هذه التسريبات، المعروفة باسم "الآثار" (traces)، ويستخدمونها لتضييق قائمة المفاتيح المحتملة. وبدلاً من العثور على المفتاح الصحيح فوراً، تترك هذه الهجمات عادةً قائمة مرتبة وطويلة من المرشحين، حيث يختبئ المفتاح الحقيقي في مكان ما في المنتصف. ويُسمى موقع المفتاح الحقيقي في هذه القائمة بـ "الرتبة" (rank). فإذا كانت الرتبة منخفضة، يكون المفتاح سهلاً في العثن؛ وإذا كانت عالية، يكون المفتاح آمناً بشكل فعال. ولعقود من الزمن، قامت مختبرات الأمن بقياس هذه الرتبة لتقرير ما إذا كان الجهاز آمناً، بافتراض أن المهاجم سيستخدم كمبيوتراً تقليدياً للبحث عبر الاحتمالات المتبقية.

ومع ذلك، فإن قواعد اللعبة تتغير مع وصول الحواسيب الكمومية. تعمل هذه الآلات وفق مبادئ فيزيائية مختلفة، ويمكنها، نظرياً، البحث في قوائم الاحتمالات بسرعة أكبر بكثير من أي كمبيوتر تقليدي. وتتناول دراسة جديدة أجراها "يفجين كوتوخ" فجوة حرجة في فهمنا: ماذا يحدث عندما يستخدم المهاجم كمبيوتراً تقليدياً لجمع الأدلة الأولية، ثم ينتقل إلى كمبيوتر كمومي لإتمام المهمة؟ تكشف الأبحاث أن السرعة التي توفرها الحواسيب الكمومية ليست دراماتيكية أو عالمية كما اقترحت بعض النظريات السابقة. إذ يتضح أن الميزة تعتمد كلياً على عدد المرشحين المتبقين للبحث وكيفية مقدار الوقت المسموح به للكمبيوتر الكمومي للعمل.

قام الباحثون ببناء نموذج مفصل لمحاكاة هذا النوع المحدد من المهاجم الهجين. فقد تخيلوا سيناريو يقوم فيه مخترق أولاً بجمع آثار الطاقة من جهاز ما واستخدام برمجيات قياسية لإنشاء قائمة مرتبة من المفاتيح المحتملة. قد تحتوي هذه القائمة على مليارات المرشحين. ثم يأخذ المخترق هذه القائمة ويشغل خوارزمية كمومية للعثور على المفتاح الصحيح. وتثبت الدراسة أنه لأي جهاز واحد بعدد محدد من المرشحين المتبقين، يوفر الكمبيوتر الكمومي تسارعاً يتناسب تماماً مع الجذر التربيعي لذلك العدد. وهذا يعني أنه إذا كان الكمبيوتر التقليدي يحتاج إلى فحص مليون مفتاح، فقد يحتاج الكمبيوتر الكمومي إلى فحص ألف مفتاح فقط. هذا تحسن كبير، لكنه ليس الانفجار الأسي السحري في السرعة الذي تنبأت به بعض النظريات الأكثر تجريداً في السابق. تلك النظريات السابقة اقترحت أن الحواسيب الكمومية يمكن أن تكون أسرع بكثير، لكن الأبحاث الجديدة تظهر أن تلك التنبؤات كانت مبنية على متوسط النتائج عبر العديد من الأجهزة المختلفة، بدلاً من النظر إلى الواقع المحدد لهجوم واحد.

يتضمن جزء حاسم من الدراسة الحدود الفيزيائية للحواسيب الكمومية. فهذه الآلات ليست مثالية بعد؛ إذ يمكنها فقط تنفيذ عدد معين من العمليات قبل أن تنهار حالاتها الكمومية الدقيقة. وقد طبق الباحثون حداً صارماً على "عمق الدائرة الكمومية" (depth of the quantum circuit)، وهو ما يمثل الحد الأقصى لعدد الخطوات التي يمكن أن يتخذها كمبيوتر كمومي مستقبلي في عام أو عقد من الزمن. ووجدوا أن التسارع التربيعي يعمل فقط عندما يكون عدد المفاتح المتبقية أقل من عتبة معينة. فإذا كانت قائمة المرشحين طويلة جداً، يُجبر الكمبيوتر الكمومي على تشغيل نسخ عديدة من نفسه بالتوازي للبقاء ضمن حده الزمني. وهذا التوازي يلتهم ميزة السرعة، مما يقلل الفائدة إلى مجرد عامل ثابت. وبالنسبة لمعايير التشفير الحديثة مثل AES-128، فإن "نافذة" هذه الميزة تغلق عندما تصل رتبة المفتاح إلى نقطة محددة، وهي تقريباً رتبة $2^{59}$. وما وراء هذه النقطة، لا يعود الكمبيوتر الكمومي أسرع بشكل أسي؛ بل يكون أسرع بمقدار ثابت فقط، وفي بعض الحالات، تكون الميزة صغيرة جداً لدرجة أنها لا تكاد تذكر.

ولمساعدة مختبرات الأمن على التكيف مع هذا الواقع الجديد، قدم المؤلف مقياساً جديداً يسمى "الرتبة الواعية بالكم" (quantum-aware key rank). تتيح هذه الأداة للمقيمين أخذ الرتبة القياسية التي يحسبونها بالفعل وتحويلها إلى قيمة تعكس مستوى الأمان ضد مهاجم كمومي بحد زمني محدد. على سبيل المثال، إذا كانت رتبة الجهاز التقليدية تشير إلى أنه آمن، فقد تظهر "الرتبة الواعية بالكم" أنه معرض للاختراق لأن الكمبيوتر الكمومي يمكنه العثور على المفتاح ضمن الوقت المسموح به. وتوفر الدراسة معادلات واضحة لهذا التحويل، وتوضح أنه للحفاظ على نفس مستوى الأمان ضد خصم كمومي، يحتاج الجهاز إلى رتبة تقليدية أعلى بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. وتحديداً، بالنسبة لكمبيوتر كمومي محدود بعمق قدره $2^{40}$، يحتاج الجهاز إلى الاحتفاظ برتبة تقليدية تبلغ حوالي $2^{74}$ ليكون آمناً بقدر جهاز ذي رتبة تقليدية تبلغ $2^{48}$.

كما قارنت الأبحساع بين طريقتين مختلفتين يمكن للكمبيوتر الكمومي استخدامهما لاستغلال المعلومات المسربة للعثور على المفتاح. تتضمن إحدى الطريقتين إعداد حالة كمومية خاصة تعكس احتمالية كل مفتاح، بينما تتضمن الأخرى البحث عبر كتل من المفاتيح بطريقة منظمة. ووجدت الدراسة أن هذين الأسلوبين متقاربان جداً في الأداء في أنواع تسريبات البيانات التي تُرى عادةً في الهجمات الواقعية. والعامل الحاسم ليس أي الطريقتين أسرع من الناحية النظرية، بل تكلفة الأجهزة المطلوبة لتنفيذ الطريقة الأكثر تعقيداً. وقد قام الباحثون بمحاكاة هذه الهجمات على شفرة بسيطة (toy cipher) ونماذج واقعية لتشفير AES للتأكد من نظرياتهم. واكتشفوا أنه في هجوم نموذجي ذي نسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة، فإن المهاجم الكمومي ذو ميزانية بوابة كبيرة يعادل حوالي 22 أثر طاقة إضافي للمهاجم التقليدي. بعبارة أخرى، الميزة الكمومية حقيقية، لكنها محدودة وقابلة للتنبؤ.

يعالج هذا العمل توتراً في مجتمع الأمن بين وجهتي نظر متضاربتين: إحداهما زعمت أن الحواسيب الكمومية ستوفر ميزة فائقة السرعة وأسية، والأخرى اقترحت أنها قد لا تقدم أي ميزة بسبب القيود المادية. وتظهر الدراسة أن كلتا الرؤيتين صحيحتان، لكنهما تنطبقان على مواقف مختلفة. فالميزة فائقة السرعة هي متوسط عبر العديد من السيناريوهات المحتملة، بينما الميزة التربيعية المحدودة هي ما يحدث في أي هجوم واحد من الواقع. ومن خلال تقديم مقياس ملموس وفهم واضح للحدود، تمنح هذه الأبحاث مقيمي الأمن الأدوات اللازمة لتقييم مخاطر الهجمات الكمومية بدقة. إنها تنقل النقاش من التكهن إلى الحساب، مما يضمن أنه مع نضوج التكنولوجيا الكمومية، يمكن تعديل دفاعاتنا بدقة بدلاً من التخمين.