Juba 2016. aastal tekitasid kvantarvuteid käsitlevad artiklid andmeturbe ümber ebakindlust, juhul kui saaks ehitada piisavalt võimsaid kvantarvuteid. See artikkel püüab olukorda veidi valgustada.
Mis on kvantarvutus?
Kvantarvutus on kvantmehaanika põhimõtete rakendamine arvutuste tegemiseks. Täpsemalt kasutab kvantarvuti kvantarvutite loomiseks ära subaatomiliste osakeste kvantolekuid, nagu superpositsioon ja takerdumine. Kui neid rakendatakse piisava võimsusega kvantarvutitele, suudavad spetsiifilised algoritmid arvutusi teha palju kiiremini kui klassikalised arvutid ja isegi lahendada probleeme, mis pole praegusest arvutustehnoloogiast kättesaadavad. Selle tulemusena on valitsused ja tööstused kogu maailmas suurenenud huvi kvantarvutite arendamise vastu. Hiljutised edusammud kvantarvutuses, nagu IBMi Quantum Heroni protsessor, on oluliselt parandanud vigade vähendamist, mis näitab kiiret arengut selles valdkonnas. Nende täiustatud protsessoritega varustatud IBM Quantum System Two kasutuselevõtt tähistab hüpet praktilise kvantkeskse superarvutite poole.
Klassikaline vs kvantarvuti
Klassikaline andmetöötlus tugineb keeruliste probleemide lahendamiseks bittidele, mis esindavad ahelates elektrivoolu kaudu ühendeid ja nulle. Kvantarvutus, mis kasutab selliseid kubite nagu IBM Quantum Heroni omad, ületab arvutusvõimsuselt klassikalist andmetöötlust tänu täiustatud veaparandusele ja kubiti stabiilsusele. Erinevalt bittidest võivad kubitid eksisteerida superpositsioonis, kehastades samaaegselt nii ühte kui ka nulli. See võimalus võimaldab ühel kubiidil esindada kahte olekut korraga ja iga täiendava kubitiga kahekordistuvad esitatavad olekud eksponentsiaalselt (n qubiti puhul 2^n). Näiteks kümne kubitiga kvantarvuti võib esindada 1024 olekut, erinevalt 10 bitist klassikalises andmetöötluses. Kvantpõimumine, keeruline ja mitte täielikult mõistetav nähtus, võimaldab kubiteid omavahel ühendada, suurendades arvutuslikku efektiivsust. Kasutades nii superpositsiooni kui ka põimumist, töötavad kvantarvutid mitmemõõtmelistes ruumides, tehes paralleelseid arvutusi, erinevalt klassikalises andmetöötluses kasutatavast järjestikusest lähenemisviisist. See täiustatud arvutusvõimsus võimaldab kvantarvutitel lahendada probleeme, mis jäävad klassikaliste arvutite raamidest välja, näiteks simuleerida täpselt molekulaarseid interaktsioone keemilistes reaktsioonides. Sellel on teadusele ja tehnoloogiale kaugeleulatuvad tagajärjed, sealhulgas potentsiaal lahendada probleeme palju kiiremini kui klassikalised arvutid, mõjutades selliseid valdkondi nagu krüptograafia.Kuidas saab kvantarvutus mõjutada krüptograafiat?
Nagu eespool käsitletud, põhineb krüptograafia raskesti lahendatavate matemaatiliste probleemide olemasolul, mis ei tähenda, et need oleksid lahendamatud, kuid nende tagasipööramiseks kuluv aeg ja ressursid muudavad need praktiliselt ohutuks.
Kvantarvutus muudab seda ökosüsteemi, minimeerides konkreetsete algoritmide abil selliste probleemide lahendamiseks vajaliku aja.
Näiteks algoritm, mille avastas , koos selliste algoritmide nagu Shor mõjuga täiustatud kvantprotsessorite, nagu IBMi Quantum Heron kontekstis, rõhutavad vältimatut vajadust kvantkindlate krüptosüsteemide järele.
1994. aastal näitas Peter Shor ettevõttest Bell Laboratories, et kvantarvutid, uus tehnoloogia, mis kasutab arvutuste tegemiseks aine ja energia füüsikalisi omadusi, suudab tõhusalt lahendada kõik need probleemid, muutes seeläbi kõik sellistel eeldustel põhinevad avaliku võtmega krüptosüsteemid impotentseks. Seega seab piisavalt võimas kvantarvuti paljud kaasaegse suhtluse vormid – alates võtmevahetusest kuni krüptimise ja digitaalse autentimiseni – ohtu.
Lühidalt võib öelda, et piisava võimsusega kvantarvuti võib seadme otse kokku kukkuda Avaliku võtme infrastruktuur, mis tekitab vajaduse kogu küberjulgeoleku ökosüsteemi ümber kujundada.
Tarbijaruumides on näha hiljutisi postkvantkrüptograafia rakendusi, nagu Chrome'i tugi PQC-algoritmile, mis näitab kvantarvutuse praktilist mõju praegustele krüptosüsteemidele.
Kuid see pole veel kõik. Teine algoritm, selle järgi ” võib kujutada endast ohtu sümmeetrilisele krüptograafiale, kuigi mitte nii tõsine kui Shori oma. Piisavalt võimsale kvantarvutile rakendatuna võimaldab Groveri algoritm purustada sümmeetrilisi võtmeid neljakordse kiirusega võrreldes klassikalise andmetöötlusega. Märkimisväärne edasiminek, mille vastu aitab suuremate võtmete kasutamine ja praeguse turvataseme säilitamine.
Kas kvantarvutus tuleb varsti?
Füüsika on tõestanud, et kvantarvutamine on teostatav. Nüüd on see inseneriteaduse probleem, ehkki väga raske. Kvantarvutite ehitamine hõlmab tipptasemel tehnoloogia rakendamist, muu hulgas supervedelikke ja ülijuhte. Stabiilse ja skaleeritava kvantmehaanilise süsteemi loomise väljakutse on tohutu ning see viib meeskonnad üle kogu maailma erinevaid teid otsima. Kvantarvuteid on mitut tüüpi, sealhulgas kvant-ahela mudel, kvant-Turingi masin, adiabaatiline kvantarvuti, ühesuunaline kvantarvuti ja mitmesugused kvantrakulised automaadid. Kõige laialdasemalt kasutatav on kvantlülitus.
Mis tahes kvantarvutite mudeli oluline probleem on see, et oma olemuselt kaotavad kubitid pärast mõõtmist oma superpositsioonistaatuse ja on seetõttu väliste häirete suhtes väga tundlikud. Seega on qubitidel keeruline oma kvantolekut säilitada. Mõned lahendused hõlmavad ioonpüüdurite kasutamist, kuid väliste häirete täielik kõrvaldamine pole tõenäoliselt saavutatav. Selle tulemusena on üks kvantarvutite loomise kõige olulisemaid küsimusi tugev veaparandusmehhanism.
Hiljutiste läbimurretega, nagu IBMi edusammud kvantarvutite vallas, on valdkond liikunud teoreetilistest mudelitest kaugemale praktilisemate ja võimsamate kvantsüsteemide poole, tuues kvantajastu varem oodatust lähemale.
Suur pilt on see, et läbimurre võib toimuda praegu või võib kuluda mõni aasta, kuni luuakse piisava arvutusvõimsusega töötav prototüüp. Seal on juba mõned prototüübid, millest kõige kuulsam on IBM Q System One, kuid nende arvutusvõimsus on endiselt liiga väike, et olla krüptograafiliste süsteemide jaoks probleem. Muidugi ei tohi küberturvalisuse kogukond mingil juhul lõõgastuda. Isegi kui meil oleks tõhus kvantijärgne turvaskeem, on kogu ökosüsteemi üleviimine uuele standardile tohutu ülesanne. Sellest tulenevalt tehakse mitmeid jõupingutusi, et olla valmis kvantijärgseks ajastuks.
Kvantijärgse ajastu paljutõotavad tehnoloogiad
Kui jõuame lähemale kvanttehnoloogia laialdasele rakendamisele, mida tõendavad sellised edusammud nagu IBMi Quantum System Two, on vajadus kvantkindlate süsteemide järele. PKI muutub üha pakilisemaks, kui saabub laialt levinud kvantarvutustehnoloogia. Allpool püüame teha kokkuvõtte kõige lootustandvamatest tehnoloogiatest ja anda lühikese ülevaate käimasolevatest kollektiivsetest projektidest, mille eesmärk on luua postkvantkrüptograafia, koos eesseisvate väljakutsetega.
Kvantijärgsete algoritmide pered
Viimase 15-20 aasta uuringud on tõestanud kvantrünnakutele vastupidavate algoritmide olemasolu. Allpool pakume lühikirjeldust kõige paljutõotavamatest algoritmiperekondadest, mis võiksid pakkuda lahendust turvalisusele kvantijärgses maailmas.
Koodipõhine krüptograafia
Viimased arengud selles valdkonnas Koodipõhine krüptograafia kasutab avaliku võtmega krüptograafia koostamiseks veaparanduskoode. Selle pakkus esmakordselt välja Robert McEliece 1978. aastal ning see on üks vanimaid ja enim uuritud asümmeetrilisi krüpteerimisalgoritme. Allkirjaskeemi saab koostada Niederreiteri skeemi, McEliece'i skeemi kahevariandi põhjal. McEliece'i krüptosüsteem on seni krüptoanalüüsile vastu seisnud. Algse süsteemi põhiprobleemiks on suur privaat- ja avaliku võtme suurus.
Räsipõhine krüptograafia
Seoses praktiliste rakenduste levikuga on räsipõhine krüptograafia paljulubav postkvantkrüptograafia lähenemisviis digitaalallkirjadele. Räsifunktsioonid on funktsioonid, mis vastendavad suvalise pikkusega stringe fikseeritud pikkusega stringideks. Need on üks vanemaid avaliku võtmega krüptograafiaskeeme ning nende turvahinnangud klassikaliste ja kvantipõhiste rünnakute vastu on hästi mõistetavad. Räsifunktsioonid on juba praegu üks enim kasutatavaid krüptotööriistu. Oli teada, et neid saab pikka aega kasutada ainsa vahendina avaliku võtmega krüptograafia koostamiseks. Lisaks on räsipõhine krüptograafia paindlik ja suudab täita erinevaid jõudlusootusi. Negatiivne külg on see, et räsipõhised allkirjaskeemid on peamiselt olekupõhised, mis tähendab, et privaatvõtit tuleb pärast iga kasutamist värskendada; vastasel juhul ei ole turvalisus tagatud. On räsipõhiseid skeeme, mis on kodakondsuseta, kuid need maksavad pikemate allkirjade, olulisemate töötlemisaegade ja allkirjastaja vajaduse jälgida teatud teavet, näiteks mitu korda allkirja loomiseks võtit kasutati.
Võrepõhine krüptograafia
Nüüd kaalutakse täiustatud krüptograafiliste lahenduste väljatöötamist. Võrepõhine krüptograafia on alamhulga probleemipõhise krüptograafia erijuhtum ja selle tutvustas esmakordselt 1996. aastal Ajtai. See on võre abil konstrueeritud krüptograafiliste primitiivide üldnimetus. Mõned neist konstruktsioonidest näivad olevat vastupidavad nii kvant- kui ka klassikaliste arvutirünnakute suhtes. Lisaks on neil ka muid atraktiivseid omadusi, nagu halvimal juhul kõvadus. Need pakuvad ka lihtsust ja paralleelsust ning on piisavalt mitmekülgsed, et luua tugevaid krüptograafilisi skeeme. Lõpuks on need ainus algoritmide perekond, mis sisaldab kõiki kolme tüüpi primitiive, mis on vajalikud kvantijärgse avaliku võtme infrastruktuuri loomiseks: avaliku võtme krüpteerimine, võtmevahetus ja digitaalallkiri.
Mitmemõõtmeline krüptograafia
Mitmemõõtmeline krüptograafia viitab avaliku võtmega krüptograafiale, mille avalikud võtmed esindavad mitmemõõtmelist ja mittelineaarset (tavaliselt ruutmeetrilist) polünoomi kaarti. Nende süsteemide lahendamine on osutunud NP-täielikuks, muutes seega selle algoritmide perekonna heaks kvantijärgseks krüptograafiaks. Praegu on mitme variandiga krüptimisskeemid osutunud vähem tõhusaks kui teised skeemid, kuna need nõuavad olulisi avalikke võtmeid ja pikki dekrüpteerimisaegu. Teisest küljest osutusid need sobivamaks allkirja skeemide loomiseks, kuna need annavad kvantijärgsete algoritmide hulgas lühimad allkirjade suurused, kuigi neil on üsna suured avalikud võtmed.
Isogeenial põhinev krüptograafia
Isogeenial põhinev krüptograafia kasutab avaliku võtmega krüptograafia koostamiseks elliptiliste kõverate vahelisi kaarte. Kvantijärgse krüptograafia kandidaatiks olev algoritm on 2011. aastal kasutusele võetud supersingulaarne isogeenia Diffie-Hellmani võtmevahetus (SIDH), mis muudab selle skeemi kandidaatide seas kõige värskemaks. SIDH nõuab pakutavatest võtmevahetusskeemidest üht väiksemat ja pakub täielikku edasisaladust. Kuid selle suhteliselt noor vanus tähendab, et sellel kontseptsioonil põhinevaid skeeme pole palju ja nende võimalike haavatavuste kontrollimiseks pole olnud palju aega.
Kvantijärgse krüptograafia projektid
Kvantjärgsete krüptograafiaskeemide jaoks on olemas erinevad töörühmad, nagu Open Quantum Safe (OQS) projekt ja ENISA. Sellegipoolest on kõige sidusam algatus NIST-i post-kvantkrüptograafia standardimise projekt, mis on alates 2021. aastast teinud märkimisväärseid edusamme ning uued algoritmid on tõusnud kvantijärgsel ajastul tööstuse standardimise eestvedajateks. Protsess algas 69 kandidaatalgoritmiga, millest 26 jõudis teise hindamisvooru. Juulis 2020 kuulutati välja 3. vooru kandidaadid, nagu on näidatud allolevas tabelis. Kokku on finalisti seitse ja alternatiivseid kandidaate kaheksa. Tabelile on märgitud, kas neid krüpteerimis- või allkirjaskeemide puhul arvesse võetakse, algoritmide perekond ja raske probleem, millel need põhinevad.
| Skeem | Enc/SIg | Pere | Raske probleem |
|---|---|---|---|
| Klassikaline McEliece | Jn | Koodipõhine | Juhuslike binaarsete Goppa koodide dekodeerimine |
| Kristallid-Kyber | Jn | Võrepõhine | Tsüklotoomiline moodul-LWE |
| NTRU | Jn | Võrepõhine | Tsüklotoomiline NTRU probleem |
| Saabel | Jn | Võrepõhine | Tsüklotoomiline moodul-LWR |
| Kristallid-Diliitium | S.I.G | Võrepõhine | Tsüklotoomiline moodul-LWE ja moodul-SIS |
| Pistrik | S.I.G | Võrepõhine | Tsüklotoomne ring-SIS |
| Rainbow | S.I.G | Mitmemõõtmeline | Õli- ja äädika luuk |
3. voor alternatiivsed kandidaadid
| Skeem | Enc/Sig | Pere |
|---|---|---|
| BIKE | Jn | Koodipõhine |
| HQC | Jn | Koodipõhine |
| Frodo-KEM | Jn | Võrepõhine |
| NTRU-Prime | Jn | Võrepõhine |
| NAGU | Jn | Isogeenial põhinev |
| GeMSS | S.I.G | Mitmemõõtmeline |
| Piknik | S.I.G | Sümmeetriline krüpto |
| SPHINCS+ | S.I.G | Räsipõhine |
Algoritmi hindamine põhines kolmel allpool toodud kriteeriumil.
-
TURVALISUS: See on kõige olulisem kriteerium. NIST on loonud mitmeid tegureid, mida tuleb arvestada iga kandidaatalgoritmi turvalisuse hindamisel. Peale algoritmide kvantresistentsuse on NIST määratlenud ka täiendavad turvaparameetrid, mis ei kuulu praegusesse küberjulgeoleku ökosüsteemi. Need on täiuslik edasisaladus,
-
Kulud ja jõudlus: algoritme hinnatakse nende jõudlusmõõdikute alusel, nagu võtmete suurus, avaliku ja privaatvõtme toimingute ja genereerimise arvutuslik tõhusus ning dekrüpteerimistõrked.
-
Algoritm ja teostuse omadused: Eeldades, et algoritmid tagavad hea üldise turvalisuse ja jõudluse, hinnatakse neid nende paindlikkuse, lihtsuse ja kasutuselevõtu lihtsuse alusel (nt algoritmi katva intellektuaalomandi olemasolu või puudumine).
Krüptograafiline paindlikkus
Infoturbeprotokollide kujundamise oluline paradigma on krüptograafiline paindlikkus. See näeb ette, et protokollid peaksid toetama mitut krüptoprimitiivi, võimaldades teatud standardit rakendavatel süsteemidel valida, millised primitiivide kombinatsioonid sobivad. Krüptograafilise agility esmane eesmärk on võimaldada haavatavate krüptoprimitiivide ja algoritmide kiiret kohandamist robustsete algoritmidega ilma süsteemi infrastruktuuri häirivaid muudatusi tegemata. See paradigma osutub kvantkrüptograafia kujunduses ülioluliseks ja nõuab vähemalt osalist automatiseerimist. Näiteks omab keskmine ettevõte sadu tuhandeid sertifikaate ja võtmeid – ja see arv kasvab jätkuvalt. Nii paljude sertifikaatide korral peavad organisatsioonid kasutama automaatseid meetodeid, et need sertifikaadid kiiresti asendada, kui krüptograafia, millele nad tuginevad, muutub ebaturvaliseks.
Suurepärane esimene meede organisatsioonide jaoks on hakata rakendama hübriidkrüptograafiat, kus kvantitatiivseid avaliku võtme algoritme kasutatakse koos traditsiooniliste avaliku võtme algoritmidega (nagu RSA või elliptilised kõverad), nii et lahendus oleks vähemalt sama turvaline kui olemasolev traditsiooniline krüptograafia.
Tulevikku vaadates
Kvantarvutus on muutumas teoreetiliselt võimaluselt praktiliseks reaalsuseks, mida ilmestavad hiljutised arengud kvantprotsessorite ja -süsteemide vallas. Järelikult peab küberjulgeoleku valdkond nende muutustega kiiresti kohanema.
