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Computadores quânticos colocam a segurança da blockchain em risco

Computadores quânticos colocam a segurança da blockchain em risco

22/11/2018

A criptografia unidirecional amplamente implantada se tornará obsoleta instantaneamente

Protótipo do núcleo de um computador quântico ionizado preso. Foto: Ion Quantum Technology Group, Universidade de Sussex

Blockchain é geralmente retratado como sendo uma das tecnologias mais seguras, mas os pesquisadores alertam que a tecnologia quântica poderia criar uma vulnerabilidade de segurança para a tecnologia blockchain.

Pesquisadores do Centro Russo de Quantum (RQC), em Moscou, Aleksey K. Fedorov, Evgeniy O. Kiktenko e Alexander I. Lvovsky publicaram o artigo sobre função “unidirecional” usada para proteger blockchains, e disseram que essa função pode ser interrompida se e quando a tecnologia quântica for totalmente desenvolvida. Eles alegaram que a tecnologia quântica logo teria a capacidade de “tornar os blockchains vulneráveis”.

Bitcoin e outras criptomoedas vão fundar a menos que integrem tecnologias quânticas, alertam pesquisadores.

Até 2025, é provável que até 10% do produto interno bruto global seja armazenado em blockchains.

Um blockchain é uma ferramenta digital que usa técnicas de criptografia para proteger informações contra alterações não autorizadas. Está na raiz da criptomoeda do Bitcoin. Os produtos relacionados ao Blockchain são usados ​​em todos os lugares, desde finanças e manufatura até assistência médica, em um mercado que vale mais de US $ 150 bilhões.

Quando a informação é dinheiro, a segurança dos dados, a transparência e a responsabilidade são cruciais. Um blockchain é um registro digital seguro. É mantido coletivamente por usuários em todo o mundo, e não por uma administração central. Decisões como adicionar uma entrada (ou bloco) ao livro-razão são baseadas em consenso – portanto, a confiança pessoal não entra nisso. Qualquer parte dentro ou fora da rede pode verificar a integridade do ledger fazendo um cálculo simples.

Mas dentro de uma década, os computadores quânticos serão capazes de quebrar os códigos criptográficos de um blockchain. Aqui, destacamos como a tecnologia quântica torna os blockchains vulneráveis ​​- e como eles poderiam torná-los mais seguros.

Códigos unidirecionais

A segurança do Blockchain depende de funções matemáticas ‘unidirecionais’. Estes são simples de executar em um computador convencional e difíceis de calcular em sentido inverso. Por exemplo, multiplicar dois grandes números primos é fácil, mas encontrar os fatores primos de um determinado produto é difícil – pode levar muitos anos para ser resolvido em um computador convencional .

Essas funções são usadas para gerar assinaturas eletrônicas que os usuários do blockchain citam para se autenticarem para os outros. Estes são fáceis de verificar e extremamente difíceis de forjar. As funções unidirecionais também são usadas para validar o histórico de transações no ledger blockchain. O hash, uma seqüência curta de bits, é derivado de uma combinação do ledger existente e do bloco que deve ser adicionado; isso altera sempre que o conteúdo da entrada é alterado. Novamente, é relativamente fácil encontrar o hash de um bloco (para processar informações para adicionar um registro), mas é difícil escolher um bloco que produza um valor de hash específico. Isso exigiria a reversão do processo para derivar as informações que geraram o hash.

O Bitcoin também requer que o hash atenda a uma condição matemática. Qualquer pessoa que deseje adicionar um bloco ao razão deve manter seu computador executando uma pesquisa aleatória até que essa condição seja atingida. Esse processo retarda a adição de blocos, dando tempo para que tudo seja gravado e verificado por todos na rede. Também impede qualquer indivíduo de monopolizar a administração da rede, porque qualquer pessoa com poder computacional suficiente pode contribuir com blocos.

Dentro de dez anos, os computadores quânticos serão capazes de calcular as funções unidirecionais, incluindo blockchains, que são usadas para proteger a Internet e as transações financeiras. A criptografia unidirecional amplamente implantada se tornará obsoleta instantaneamente.

Segurança da informação tem enfrentado tais extinções em massa antes. Por exemplo, durante a Segunda Guerra Mundial, mensagens militares alemãs foram codificadas e decifradas usando máquinas Enigma, inicialmente dando aos poderes do Eixo uma vantagem até que os Aliados decifrassem o código Enigma . E em 1997, o Data Encryption Standard, um algoritmo para criptografar dados eletrônicos que era, então, o estado da arte, foi quebrado em um concurso público para provar sua falta de segurança. Isso deu origem a uma segunda competição para desenvolver um novo protocolo, resultando no Advanced Encryption Standard de hoje.

Vantagem quântica

Computadores quânticos exploram efeitos físicos, como superposições de estados e entrelaçamento, para realizar tarefas computacionais. Eles são atualmente muito menos poderosos que os computadores convencionais, mas logo poderão superá-los em determinadas tarefas. Um exemplo é quebrar protocolos de segurança que são baseados em algoritmos criptográficos, como o matemático Peter Shor apontou em 1994.

Blockchain está particularmente em risco, porque as funções unidirecionais são sua única linha de defesa – a única proteção do usuário é sua assinatura digital, enquanto os clientes do banco são protegidos por cartões de plástico, questões de segurança, cheques de identidade e caixas humanas.

O cracking de assinaturas digitais é, portanto, a ameaça mais iminente. Um malfeitor equipado com um computador quântico pode usar o algoritmo de Shor para forjar qualquer assinatura digital, representar esse usuário e apropriar-se de seus ativos digitais. A maioria dos especialistas acha que essa façanha exigiria um computador quântico universal (capaz de realizar uma grande variedade de cálculos), que está a mais de uma década de distância. No entanto, alguns pesquisadores sugerem que isso poderia acontecer mais cedo, usando dispositivos computacionais quânticos emergentes que têm capacidades mais limitadas, como as que estão sendo desenvolvidas pelas empresas de computação D-Wave, Google e outros.

Os computadores quânticos encontrarão soluções rapidamente, permitindo potencialmente aos poucos usuários que os censurem transações e monopolizando a adição de blocos ao ledger de Bitcoin (conhecido como mineração). Essas partes poderiam sabotar transações, impedir que suas próprias gravações ou gastos duplos. Uma equipe internacional de pesquisadores destacou os possíveis impactos de tais ataques 6 , com um relatório no início deste ano mapeando as ameaças e sugerindo uma possível solução alternativa.

Se nada for feito para atualizar os protocolos, as criptomoedas irão falhar quando os computadores quânticos se tornarem disponíveis.

Melhorando a segurança

Felizmente, as tecnologias quânticas também oferecem oportunidades para melhorar a segurança e o desempenho de blockchains.

As comunicações quânticas são inerentemente autenticadas – nenhum usuário pode se passar por outro. Tais tecnologias usam estados de partículas individuais de luz (fótons) para codificar bits e comunicá-los. A física fundamental estipula que estados quânticos não podem ser copiados ou medidos sem serem alterados. Qualquer bisbilhoteiro será imediatamente descoberto.

A criptografia quântica pode ser usada para substituir assinaturas digitais clássicas e para criptografar todas as comunicações ponto a ponto na rede blockchain.

Nosso grupo demonstrou um sistema simples, no entanto, a complexidade e o custo das redes de criptografia quântica limitarão sua adoção. Em particular, os protocolos atuais exigem que cada nó da rede seja conectado a todos os outros através de canais de fibra ótica, porque não há confiança em nenhum nó intermediário e, portanto, todas as comunicações devem ser diretas. Protocolos serão necessários para manter comunicações seguras, mesmo quando a informação flui através de nós não confiáveis; esses sistemas foram desenvolvidos, mas precisam ser mais acessíveis para os consumidores.

Perdas de fótons em fibras ópticas são outro desafio. Isso limita a faixa dos modernos sistemas de distribuição de chaves quânticas a algumas dezenas de quilômetros. A solução é desenvolver um repetidor quântico, que usa teletransporte quântico e memória óptica quântica para distribuir estados entrelaçados entre as partes em comunicação. A pesquisa está progredindo, mas está longe de fornecer um dispositivo prático.

Nesse ínterim, as funções unidirecionais devem ser reforçadas. Algumas funções alternativas de criptografia foram propostas e devem ser igualmente difíceis de reverter usando computadores convencionais ou quânticos. Embora não sejam totalmente seguros, eles podem ser executados em hardware existente e podem ganhar tempo, mas também podem ser decifrados a longo prazo.

Internet quântica

O uso da tecnologia quântica para comunicação, bem como para o processamento computacional de dados de blockchain, aumentaria ainda mais a segurança e permitiria que blockchains se tornassem mais rápidos e eficientes. Este passo requer uma ‘Internet quântica’ conectar computadores quânticos através de uma rede de comunicações quânticas. Então, seria possível executar blockchains totalmente quânticos. Isso contornaria algumas etapas computacionalmente intensivas dos processos atuais de verificação e consenso e, portanto, seria mais eficiente e mais seguro. A moeda Quantum Bitcoin proposta poderia ser realizada, com sua segurança assegurada pelo teorema de não-clonagem da mecânica quântica. Tais “notas bancárias” quânticas, se ainda assim se mostrarem necessárias no futuro, poderiam ser impossibilitadas de falsificar, contendo registros de informações quânticas.

A internet quântica está a várias décadas de distância, então ‘computação quântica cega’ é uma etapa intermediária. Neste, um usuário com um computador convencional poderia executar um algoritmo em um computador quântico remoto sem compartilhar os dados de entrada ou o algoritmo. Essa tecnologia permitiria plataformas de computação quântica em nuvem pública, tornando as blockchains mais baratas e mais acessíveis.

Próximos passos

O negócio de blockchain precisa atualizar seu software existente para usar funções criptográficas unidirecionais que são igualmente difíceis de reverter usando computadores convencionais ou quânticos. Até que essas soluções pós-quânticas sejam estabelecidas ou padronizadas, as plataformas devem ser flexíveis e capazes de alterar os algoritmos criptográficos dinamicamente.

A resposta a longo prazo é desenvolver e ampliar a rede de comunicação quântica e, subsequentemente, a Internet quântica. Isso exigirá grandes investimentos dos governos. No entanto, os países se beneficiarão da maior segurança oferecida. Por exemplo, o Canadá mantém seus dados do censo em segredo por 92 anos, um termo que só a criptografia quântica pode assegurar.

As agências governamentais poderiam usar plataformas blockchain protegidas por quantum para proteger os dados financeiros e de saúde pessoais dos cidadãos. Os países que lideram os principais esforços de pesquisa em tecnologias quânticas, como a China, os Estados Unidos e membros da União Européia, estarão entre os primeiros a adotar. Eles devem investir imediatamente em pesquisa. Blockchains deve ser um estudo de caso para o programa de teste de distribuição de chaves quânticas da Europa, por exemplo.

Uma urgência muito maior precisa ser dada a esses riscos – seu impacto pode ser grave.