Ang gidaghanon sa mga himan sa seguridad sa kompyuter - usa ka katapusan nga paagi o usa ka lansang sa lungon? Sa diha nga kita adunay milyon-milyon nga mga qubit

Sa usa ka bahin, ang quantum computing daw usa ka "perpekto" ug "dili malaglag" nga pamaagi sa pag-encrypt nga makapugong sa bisan kinsa sa pag-hack sa mga kompyuter ug datos. Sa laing bahin, adunay usab kahadlok nga ang mga "daotan" dili aksidenteng mogamit sa teknolohiya sa quantum ...

Pipila ka bulan ang milabay, sa Letters on Applied Physics, ang mga siyentipiko gikan sa China nagpresentar sa labing paspas quantum random number generator (quantum random number generator, QRNG) nga naglihok sa tinuud nga oras. Nganong importante kini? Tungod kay ang abilidad sa pagmugna (tinuod) random nga mga numero mao ang yawe sa encryption.

Ang labing Mga sistema sa QRNG karon naggamit kini og discrete photonic ug electronic nga mga component, apan ang paghiusa sa maong mga component ngadto sa usa ka integrated circuit nagpabilin nga usa ka mayor nga teknikal nga hagit. Ang sistema nga gihimo sa grupo naggamit sa indium germanium photodiodes ug usa ka transimpedance amplifier nga gisagol sa usa ka silicon photonic system (1) lakip ang usa ka sistema sa mga coupler ug attenuators.

Ang kombinasyon niini nga mga sangkap nagtugot QR sa pagkakita sa mga signal gikan sa tinubdan sa quantum entropy uban sa kamahinungdanon milambo frequency tubag. Sa diha nga ang mga random nga signal makita, kini giproseso sa usa ka programmable gate matrix nga nagkuha sa tinuod nga random nga mga numero gikan sa hilaw nga datos. Ang resulta nga device makamugna og mga numero sa halos 19 gigabits kada segundo, usa ka bag-ong world record. Ang mga random nga numero mahimong ipadala sa bisan unsang kompyuter pinaagi sa usa ka fiber optic cable.

Pagmugna sa quantum random nga mga numero anaa sa kasingkasing sa cryptography. Ang naandan nga random number generators kasagarang nagsalig sa mga algorithm nga nailhan nga pseudo-random number generators, nga, sumala sa gisugyot sa ngalan, dili tinuod nga random ug busa posibleng mahuyang. Ibabaw optical quantum number generators pipila ka mga random nga kompanya sama sa Quantum Dice ug IDQuantique nga trabaho, ug uban pa. Ang ilang mga produkto gigamit na sa komersyo.

nga nagdumala kung giunsa paglihok ang pisikal nga mga butang sa pinakagamay nga timbangan. Ang quantum nga katumbas sa bit 1 o bit 0 kay usa ka qubit. (2), nga mahimo usab nga 0 o 1, o naa sa gitawag nga superposition - bisan unsang kombinasyon sa 0 ug 1. Ang paghimo sa usa ka kalkulasyon sa duha nga klasikal nga mga bit (nga mahimo nga 00, 01, 10, ug 11) nanginahanglan upat ka lakang.

kini makahimo sa mga kalkulasyon sa tanang upat ka estado sa samang higayon. Kini nga mga timbangan paspas - ang usa ka libo nga qubit mahimong sa pipila ka mga paagi labi ka kusgan kaysa sa labing kusgan nga supercomputer sa kalibutan. Ang lain nga konsepto sa quantum nga hinungdanon alang sa quantum computing mao kalibogtungod niini ang mga qubit mahimong ma-correlated sa paagi nga kini gihulagway sa usa ka quantum state. Ang pagsukod sa usa niini nagpakita dayon sa kahimtang sa lain.

Importante ang entanglement sa cryptography ug quantum communication. Bisan pa, ang potensyal sa quantum computing dili sa pagpadali sa pag-compute. Hinuon, naghatag kini usa ka eksponensyal nga bentaha sa pipila nga mga klase sa mga problema, sama sa pag-compute sa daghang mga numero, nga adunay seryoso nga implikasyon sa cyber nga seguridad.

Ang labing dinalian nga buluhaton quantum computing mao ang paghimo og igo nga error-tolerant qubits aron maablihan ang potensyal sa quantum computing. Ang interaksyon tali sa qubit ug sa palibot niini nagdaot sa kalidad sa impormasyon sa microseconds. Lisud ug mahal ang paglain sa mga qubit gikan sa ilang palibot, pananglitan, pinaagi sa pagpabugnaw niini sa temperatura nga hapit sa hingpit nga zero. Ang ingay nagdugang sa gidaghanon sa mga qubit, nga nanginahanglan sopistikado nga mga pamaagi sa pagtul-id sa sayup.

sa pagkakaron giprograma gikan sa usa ka quantum logic gate, nga mahimong madawat alang sa gagmay nga prototype nga quantum nga mga kompyuter, apan dili praktikal kon mahitungod sa liboan ka qubits. Bag-ohay lang, ang pipila ka mga kompanya sama sa IBM ug Classiq nagpalambo og mas abstract nga mga layer sa programming stack, nga nagtugot sa mga developers sa paghimo og gamhanan nga quantum applications aron masulbad ang tinuod nga mga problema sa kalibutan.

Ang mga propesyonal nagtuo nga ang mga aktor nga adunay dili maayo nga mga katuyoan mahimong makapahimulos mga benepisyo sa quantum computing paghimo og bag-ong pamaagi sa mga paglapas cyber nga seguridad. Makahimo sila og mga aksyon nga mahal kaayo sa pagkalkula sa mga klasikal nga kompyuter. Uban sa usa ka quantum computer, ang usa ka hacker mahimong dali nga mag-analisar sa mga dataset ug maglunsad og mga sopistikado nga pag-atake batok sa daghang mga network ug mga himan.

Bisan kung sa pagkakaron ingon og dili tingali nga sa kasamtangan nga dagan sa pag-uswag sa teknolohiya, ang pagtunga sa kinatibuk-ang katuyoan nga quantum computing sa dili madugay magamit sa panganod isip usa ka imprastraktura isip usa ka plataporma sa pag-alagad, nga naghimo niini nga magamit sa usa ka halapad nga mga tiggamit.

Balik sa 2019, gipahibalo sa Microsoft nga kini magtanyag quantum computing sa imong Azure cloud, bisan tuod kini maglimite sa ilang paggamit sa pagpili sa mga kustomer. Isip bahin sa kini nga produkto, ang kompanya naghatag mga solusyon sa quantum sama sa Mga solver i mga algorithm, quantum software, sama sa mga simulator ug mga himan sa pagbanabana sa kahinguhaan, ingon man sa quantum hardware nga adunay lain-laing mga qubit architectures nga posibleng mapahimuslan sa mga hacker. Ang ubang mga provider sa quantum cloud computing services mao ang IBM ug Amazon Web Services (AWS).

Ang away sa mga algorithm

Klasikong digital ciphers magsalig sa komplikado nga mga pormula sa matematika aron mabag-o ang datos sa mga naka-encrypt nga mensahe alang sa pagtipig ug pagpadala. Gigamit kini sa pag-encrypt ug pag-decrypt sa datos. digital nga yawe.

Busa, ang tig-atake misulay sa pagbungkag sa encryption nga paagi aron sa pagkawat o pag-usab sa gipanalipdan nga impormasyon. Ang klaro nga paagi sa pagbuhat niini mao ang pagsulay sa tanan nga posible nga mga yawe aron mahibal-an ang usa nga mag-decrypt sa data balik sa usa ka porma nga mabasa sa tawo. Ang proseso mahimo nga himuon gamit ang usa ka naandan nga kompyuter, apan nanginahanglan daghang paningkamot ug oras.

Anaa sila karon duha ka nag-unang matang sa encryption: simetrikosa samang higayon, ang samang yawe gigamit sa pag-encrypt ug pag-decrypt sa datos; ingon man sa walay simetriko, nga mao, uban sa usa ka publiko nga yawe nga naglakip sa usa ka parisan sa matematika nga may kalabutan nga mga yawe, ang usa niini anaa sa publiko aron tugotan ang mga tawo sa pag-encrypt sa usa ka mensahe alang sa tag-iya sa yawe nga pares, ug ang usa gitago sa pribado sa tag-iya aron sa pag-decrypt sa mensahe.

W simetriko nga pag-encrypt ang sama nga yawe gigamit sa pag-encrypt ug pag-decrypt sa gihatag nga piraso sa datos. Usa ka pananglitan sa usa ka simetriko nga algorithm: Advanced nga Encryption Standard (AES). Algoritmo sa AES, gisagop sa gobyerno sa US, nagsuporta sa tulo ka yawe nga gidak-on: 128-bit, 192-bit, ug 256-bit. Ang mga simetriko nga algorithm kasagarang gigamit alang sa daghang buluhaton sa pag-encrypt sama sa pag-encrypt sa dagkong mga database, file system, ug memorya sa butang.

W asymmetric nga pag-encrypt Ang datos gi-encrypt gamit ang usa ka yawe (kasagarang gitawag nga publiko nga yawe) ug gi-decrypt sa lain nga yawe (kasagarang gitawag nga pribado nga yawe). Kasagarang gigamit Rivest algorithm, Shamira, Adleman (RSA) usa ka pananglitan sa usa ka asymmetric algorithm. Bisan kung kini mas hinay kaysa simetriko nga pag-encrypt, ang mga asymmetric nga algorithm nagsulbad sa hinungdan nga problema sa pag-apod-apod, nga usa ka hinungdanon nga problema sa pag-encrypt.

Public key cryptography gigamit kini alang sa luwas nga pagbinayloay sa simetriko nga mga yawe ug alang sa digital nga panghimatuud o pagpirma sa mga mensahe, mga dokumento, ug mga sertipiko nga nag-asoy sa mga yawe sa publiko sa identidad sa mga naghupot niini. Kung kami mobisita sa usa ka luwas nga website nga naggamit sa mga protocol sa HTTPS, ang among browser naggamit sa public key cryptography aron mapamatud-an ang sertipiko sa website ug magbutang usa ka simetriko nga yawe aron ma-encrypt ang mga komunikasyon sa ug gikan sa website.

Kay halos tanan nga mga aplikasyon sa internet gigamit nila ang duha simetriko nga kriptograpiyaи public key cryptographyang duha ka porma kinahanglang luwas. Ang labing sayon ​​​​nga paagi sa pag-crack sa code mao ang pagsulay sa tanan nga posible nga mga yawe hangtod makuha nimo ang usa nga molihok. Ordinaryo nga mga kompyuter mahimo nila kini, apan kini lisud kaayo.

Pananglitan, niadtong Hulyo 2002, gipahibalo sa grupo nga nakadiskubre sila og 64-bit symmetric key, apan nanginahanglan og paningkamot sa 300 ka tawo. mga tawo sulod sa kapin sa upat ug tunga ka tuig nga trabaho. Ang usa ka yawe nga doble ang gitas-on, o 128 ka bit, adunay sobra sa 300 ka sextillion nga mga solusyon, ang gidaghanon niini gipahayag nga 3 ug mga sero. Bisan ang labing paspas nga supercomputer sa kalibutan Nagkinahanglan kini og trilyon ka tuig aron makit-an ang husto nga yawe. Apan, usa ka teknik sa quantum computing nga gitawag og Grover's algorithm nagpadali sa proseso pinaagi sa paghimo sa 128-bit nga yawe ngadto sa quantum computer nga katumbas sa usa ka 64-bit nga yawe. Apan ang panalipod yano - ang mga yawe kinahanglan nga lugwayan. Pananglitan, ang usa ka 256-bit nga yawe adunay parehas nga proteksyon batok sa usa ka quantum nga pag-atake ingon usa ka 128-bit nga yawe batok sa usa ka naandan nga pag-atake.

Public key cryptography bisan pa, kini usa ka mas dako nga problema tungod sa paagi sa pagtrabaho sa matematika. Popular karong panahona public key encryption algorithmsgitawag RSA, Diffiego-Hellman i elliptic curve cryptography, gitugotan ka nila nga magsugod sa yawe sa publiko ug makalkula ang pribado nga yawe sa matematika nga dili moagi sa tanan nga mga posibilidad.

mahimo nilang mabungkag ang mga solusyon sa pag-encrypt kansang seguridad gibase sa factorization sa mga integer o discrete logarithms. Pananglitan, gamit ang RSA nga pamaagi nga kaylap nga gigamit sa e-commerce, ang usa ka pribado nga yawe mahimong kalkulado pinaagi sa pag-factor sa usa ka numero nga produkto sa duha ka prime nga numero, sama sa 3 ug 5 alang sa 15. Hangtod karon, ang public key encryption dili mabungkag. . Pagpanukiduki Peter Shore sa Massachusetts Institute of Technology labaw pa sa 20 ka tuig ang milabay nagpakita nga ang paglapas sa asymmetric encryption posible.

maka-crack hangtod sa 4096-bit key pairs sa pipila lang ka oras gamit ang teknik nga gitawag og Shor's algorithm. Bisan pa, kini ang sulundon quantum nga mga kompyuter sa umaabot. Sa pagkakaron, ang kinadak-ang numero nga nakalkula sa quantum computer kay 15 - total nga 4 bits.

Bisan pa simetriko nga mga algorithm Ang algorithm ni Shor wala sa peligro, ang gahum sa quantum computing nagpugos sa mga yawe nga gidak-on nga padaghanon. pananglitan dagkong quantum nga mga kompyuter nga nagpadagan sa algorithm ni Grover, nga naggamit sa quantum techniques sa pagpangutana sa mga database nga paspas kaayo, makahatag ug upat ka pilo nga performance improvement sa brute-force attacks batok sa symmetric encryption algorithms sama sa AES. Aron mapanalipdan batok sa mga pag-atake sa brute force, doble ang yawe nga gidak-on aron mahatagan ang parehas nga lebel sa proteksyon. Alang sa AES algorithm, kini nagpasabut sa paggamit sa 256-bit nga mga yawe aron mapadayon ang karon nga 128-bit nga kusog sa seguridad.

Karon RSA encryption, usa ka kaylap nga gigamit nga porma sa pag-encrypt, labi na kung ang pagpadala sa sensitibo nga datos sa Internet, gibase sa 2048-bit nga mga numero. Gibanabana sa mga eksperto kana quantum nga kompyuter mokabat sa 70 milyones ka qubits ang gikinahanglan aron mabungkag kini nga encryption. Gihatag na sa pagkakaron ang kinadak-ang quantum computers dili mosobra sa usa ka gatos ka qubits (bisan pa nga ang IBM ug Google adunay mga plano nga makaabot sa usa ka milyon sa 2030), kini mahimong dugay nga panahon sa dili pa motungha ang tinuod nga hulga, apan samtang ang dagan sa panukiduki niini nga dapit nagpadayon sa pagpadali, dili isalikway nga ang maong kompyuter matukod sa sunod nga 3-5 ka tuig.

Pananglitan, ang Google ug ang KTH Institute sa Sweden bag-o lang nakakaplag usa ka "mas maayo nga paagi" sa Ang quantum nga mga kompyuter makahimo sa mga kalkulasyon sa paglapas sa code, pagkunhod sa gidaghanon sa mga kahinguhaan nga ilang gikinahanglan pinaagi sa mga order sa kadako. Ang ilang papel, nga gipatik sa MIT Technology Review, nag-angkon nga ang usa ka kompyuter nga adunay 20 milyon nga qubits maka-crack sa usa ka 2048-bit nga numero sa 8 ka oras lang.

Post-quantum cryptography

Sa bag-ohay nga mga tuig, ang mga siyentipiko nagtrabaho pag-ayo sa paghimo "quantum-safe" nga pag-encrypt. Ang American Scientist nagtaho nga ang US National Institute of Standards and Technology (NIST) nag-analisar na sa 69 ka potensyal nga bag-ong mga teknik nga gitawag og "post-quantum cryptography (PQC)". Bisan pa, ang parehas nga sulat nag-ingon nga ang pangutana sa pag-crack sa modernong cryptography pinaagi sa mga quantum computer nagpabilin nga hypothetical sa pagkakaron.

3. Usa sa mga modelo sa kriptograpiya nga nakabase sa mata ang natukod.

Sa bisan unsa nga kaso, sumala sa usa ka taho sa 2018 gikan sa National Academy of Sciences, Engineering ug Medicine, "ang bag-ong cryptography kinahanglan nga pauswagon ug ipatuman karon, bisan kung ang usa ka quantum computer nga makahimo sa paglapas sa cryptography karon wala matukod sa usa ka dekada." . Ang umaabot nga code-breaking quantum nga mga kompyuter mahimong adunay usa ka gatos ka libo ka pilo nga mas daghang gahum sa pagproseso ug usa ka pagkunhod sa rate sa sayup, nga makahimo kanila nga makahimo pakigbatok sa modernong cybersecurity practices.

Sa mga solusyon nga gitawag nga "post-quantum cryptography" nahibal-an, labi na, ang PQShield Company. Ang mga propesyonal sa seguridad mahimong mopuli sa naandan nga cryptographic algorithm sa network algorithm. (lattice-based cryptography) nga gimugna uban ang seguridad sa hunahuna. Kining bag-ong mga pamaagi nagtago sa datos sulod sa komplikadong mga problema sa matematika nga gitawag ug lattices (3). Ang ingon nga mga istruktura sa algebraic lisud sulbaron, nga gitugotan ang mga cryptographer nga makakuha og kasayuran bisan sa atubangan sa kusgan nga mga kompyuter sa quantum.

Sumala sa usa ka tigdukiduki sa IBM, Cecilia Boscini, ang mesh nga network-based cryptography makapugong sa quantum computer-based nga mga pag-atake sa umaabot, ingon man usab sa paghatag sa basehan alang sa hingpit nga homomorphic encryption (FHE), nga nagtugot sa mga tiggamit sa paghimo sa mga kalkulasyon sa mga file nga walay pagtan-aw sa datos o pagbutyag niini ngadto sa mga hacker.

Ang laing maayong paagi mao quantum key distribution (Episyente). Quantum distribution sa QKD keys (4) naggamit sa mga panghitabo sa quantum mechanics (sama sa entanglement) aron paghatag og hingpit nga sekreto nga pagbayloay sa mga yawe sa pag-encrypt ug mahimo pa gani nga magpasidaan mahitungod sa presensya sa usa ka "eavesdropper" tali sa duha ka endpoint.

Sa sinugdan, kini nga pamaagi posible lamang sa optical fiber, apan karon ang Quantum Xchange nakahimo og paagi aron ipadala usab kini sa Internet. Pananglitan, nahibal-an ang mga eksperimento sa China sa KKK pinaagi sa usa ka satellite sa gilay-on nga pila ka libo ka kilometro. Dugang pa sa China, ang mga pioneer niini nga lugar mao ang KETS Quantum Security ug Toshiba.

4. Usa sa quantum key distribution models, QKD