Poszukiwanie szyfrowania kwantowego właśnie zrobiło krok naprzód

Komputer kwantowy Google Google

Wiele rzeczy, które robisz online na co dzień, jest chronionych szyfrowaniem, aby nikt inny nie mógł ich szpiegować. Na przykład Twoja bankowość internetowa i wiadomości do znajomych są prawdopodobnie zaszyfrowane — podobnie jak tajemnice rządowe. Ale ta ochrona jest zagrożona przez rozwój komputerów kwantowych, które grożą, że nowoczesne metody szyfrowania staną się bezużyteczne.

Maszyny kwantowe pracować w zupełnie inny sposób od klasycznych komputerów, których używamy dzisiaj. Zamiast używać tradycyjnego kodu binarnego, który reprezentuje informacje za pomocą 0 s i jeden s, używają bitów kwantowych lub kubitów. Niezwykłe właściwości kubitów sprawiają, że komputery kwantowe są znacznie wydajniejsze do niektórych rodzajów obliczeń, w tym problemy matematyczne, które leżą u podstaw współczesnego szyfrowania .

Naukowcy od dziesięcioleci wiedzieli, że gdyby można było zbudować komputer kwantowy na dużą skalę, mógłby on wykonać dość duże obliczenia, które zagroziłyby kryptosystemom, na których polegamy dzisiaj w zakresie bezpieczeństwa, mówi Dustin Moody, matematyk z NIST, amerykańskiego Narodowego Instytutu standardów i technologii.

Podczas gdy maszyny kwantowe wciąż są daleko od możliwości złamania nowoczesnego szyfrowania, NIST ogłosił w 2016 r. konkurs na opracowanie nowych standardów kryptografii, które będą bardziej odporne na kwanty. Wyścig jest długi, a zwycięzcy mają zostać ogłoszeni w 2022 roku, ale w zeszłym tygodniu organizacja ogłosiła, że ​​zawęziła początkowe pole 69 rywali do zaledwie 15.

Jak dotąd większość finalistów ma jedno podejście do kryptografii post-kwantowej: kryptografia oparta na siatce.

Jak to działa

Szyfrowanie z kluczem publicznym wykorzystuje tradycyjną matematykę do kodowania danych, odblokowując je tylko dla tych, którzy mają klucz — lub mogą go rozgryźć. Zamiast tego kryptografia oparta na siatce wykorzystuje ogromne siatki z miliardami pojedynczych punktów w tysiącach wymiarów. Złamanie kodu oznacza przejście z jednego konkretnego punktu do drugiego — co jest zasadniczo niemożliwe, chyba że znasz trasę.

Nawet National Security Agency, amerykańska agencja szpiegowska, która od dawna alarmuje o zagrożeniu stwarzanym przez komputery kwantowe, ostatnio wyrażone zaufanie do podejść opartych na siatce.

Jednak liczy się nie tylko to, jak nieprzenikniona lub złożona jest matematyka. Podejścia post-kwantowe będą działać tylko wtedy, gdy będą mogły być stosowane we wszystkich miejscach, w których potrzebna będzie kryptografia wysokiego poziomu. Na przykład ważny jest rozmiar klucza wymaganego do odszyfrowania danych: wyobraź sobie, co będzie możliwe w sprzęcie medycznym, który ma mało pamięci i poważnie ograniczoną przepustowość. Jeśli matematyka jest tak złożona, że ​​do otwarcia zamka potrzebny jest masywny klucz, rozwiązanie może nie przejść testu użyteczności.

Pięciu z wybranych kandydatów ogłoszonych w zeszłym tygodniu korzysta z podejść kratowych, które nie mają znanego rozwiązania kwantowego, a nowy NIST Raport o stanie mówi, że są to najbardziej obiecujące algorytmy ogólnego przeznaczenia na liście.

Ale ta lista zawiera alternatywne podejścia, które również mogą się przebić — szczególnie, jeśli systemy kratowe okażą się niewystarczające. Te inne opcje są na ogół mniej dojrzałe, mniej dobrze zbadane i znacznie odległe od wykorzystania w prawdziwym świecie, co prowadzi większość obserwatorów do przekonania, że ​​systemy kratowe wygrają, gdy dwóch zwycięzców zostanie wybranych w 2022 roku.

NIST uważa, że ​​problemy z siecią są naprawdę trudne, mówi Elena Kirshanova, matematyk i badacz kryptoanalizy w Bałtycki Uniwersytet Federalny im. I.Kanta w Rosji. Chociaż te problemy są trudne, wydają się dość wydajne pod względem czasu generowania kluczy, czasu na konstruowanie podpisów, a także wydajne pod względem pamięci.

Kiedy nadejdzie kwant?

Jeśli tyle czasu i wysiłku poświęca się na zapobieżenie katastrofie bezpieczeństwa, kiedy zobaczymy komputer kwantowy, który może to wszystko zrobić?

W zeszłym roku Google chwalił się, że to osiągnął supremacja kwantowa poprzez znalezienie zadania, które mógłby wykonać komputer kwantowy, co było zasadniczo niemożliwe dla klasycznego komputera. Firma ogłosiła, że ​​wykorzystała swój 53-bitowy komputer kwantowy Sycamore do rozwiązania zadania matematycznego w 200 sekund, które zajęłoby klasycznemu komputerowi 10 000 lat.

Był to ważny kamień milowy, ale nie zapoczątkował nowej ery obliczeń kwantowych i eksperci z branży a środowisko akademickie szybko go skrytykowało za szereg powodów .

W rzeczywistości prawdopodobnie dzieli nas dekada lub więcej od komputera kwantowego, który może rozwiązać przydatne problemy – co daje NISTowi czas na podjęcie decyzji, aby rozpocząć przejście do bezpiecznej kryptografii kwantowej.

Standaryzacja i wprowadzenie algorytmów kryptograficznych do produktów zajmuje dużo czasu, mówi Moody z NIST. Może to zająć 10 lub 20 lat. Potrzebujemy tego procesu przed ukończeniem komputera kwantowego, więc wyprzedzamy grę.

Nie wszyscy są jednak przekonani, że czas będzie dobrze spędzony.

Następnym krokiem są komputery kwantowe rozwiązujące użyteczny problem, którego jeszcze nie zrobiły, mówi Vadim Lyubashevsky, kryptograf w IBM, który pracował nad algorytmem CRYSTALS, który jest teraz finalistą z NIST. Jeśli tak się nie stanie przez długi czas, myślę, że firmy zapomną o szumie i wdrożą najsłabszą rzecz, która wychodzi z NIST, dopóki nagle nie przypomni im się o problemie za 30 lat.

ukryć