Миқдори воситаҳои амнияти компютерӣ - чораи охирин ё мех дар тобут? Вақте ки мо миллионҳо кубит дорем

Аз як тараф, ҳисоббарории квантӣ як усули рамзгузории "комил" ва "вайроннашаванда" аст, ки касеро аз ҳакерӣ ба компютерҳо ва додаҳо пешгирӣ мекунад. Аз тарафи дигар, тарси он низ вуҷуд дошт, ки "бачаҳои бад" тасодуфан технологияи квантиро истифода нахоҳанд кард...

Чанд моҳ пеш, дар Мактубҳо оид ба физикаи амалӣ олимони Чин зудтаринро пешниҳод карданд генератори рақамҳои тасодуфии квантӣ (генератори рақамҳои тасодуфии квантӣ, QRNG) дар вақти воқеӣ кор мекунад. Чаро муҳим аст? Зеро қобилияти тавлиди (воқеӣ) рақамҳои тасодуфӣ калиди рамзгузорӣ мебошад.

Бештар Системаҳои QRNG имрӯз он ҷузъҳои дискретии фотоникӣ ва электрониро истифода мебарад, аммо ба як схемаи интегралӣ пайваст кардани ин ҷузъҳо як мушкилоти асосии техникӣ боқӣ мемонад. Системае, ки аз ҷониби гурӯҳ таҳия шудааст, фотодиодҳои индиум-германий ва пурқувваткунандаи трансимпедансро истифода мебарад, ки бо системаи фотоникии кремний (1), аз ҷумла системаи пайвасткунакҳо ва аттенюаторҳо муттаҳид карда шудаанд.

Омезиши ин ҷузъҳо имкон медиҳад QR АНГЛИСӢ ҳангоми ошкор кардани сигналҳо аз манбаъхои энтропияи квантй бо вокуниши басомад ба таври назаррас беҳтар. Пас аз ошкор шудани сигналҳои тасодуфӣ, онҳо аз ҷониби матритсаи дарвозаи барномарезишаванда коркард карда мешаванд, ки рақамҳои воқеан тасодуфиро аз маълумоти хом истихроҷ мекунанд. Дастгоҳи натиҷавӣ метавонад рақамҳоро бо суръати тақрибан 19 гигабит дар як сония тавлид кунад, ки рекорди нави ҷаҳонӣ мебошад. Рақамҳои тасодуфиро баъдан тавассути кабели нахи оптикӣ ба ҳама гуна компютер фиристодан мумкин аст.

Насли ададҳои тасодуфии квантӣ дар маркази криптография мебошад. Генераторҳои оддии рақамҳои тасодуфӣ маъмулан ба алгоритмҳое такя мекунанд, ки бо номи генераторҳои рақамҳои псевдо-тасодуфӣ маъруфанд, ки аз номаш бармеояд, онҳо воқеан тасодуфӣ нестанд ва аз ин рӯ эҳтимолан осебпазиранд. Дар боло генераторҳои рақамҳои квантии оптикӣ ширкатҳои воқеан тасодуфӣ ба монанди Quantum Dice ва IDQuantique дар байни дигарон кор мекунанд. Маҳсулоти онҳо аллакай дар тиҷорат истифода мешавад.

ки чи тавр кор кардани объектхои физикиро дар микьёси хурдтарин идора мекунад. Эквиваленти квантии бит 1 ё бит 0 кубит аст. (2), ки он низ метавонад 0 ё 1 бошад ё дар суперпозиция ном дошта бошад - ҳама гуна омезиши 0 ва 1. Иҷрои ҳисоб аз рӯи ду битҳои классикӣ (ки метавонад 00, 01, 10 ва 11 бошад) талаб мекунад чор қадам.

дар як вакт дар хамаи чор штат хисобу китоб карда метавонад. Ин миқёс ба таври экспоненсиалӣ афзоиш меёбад - ҳазор кубит аз баъзе ҷиҳатҳо аз пуриқтидортарин суперкомпютери ҷаҳон тавонотар хоҳад буд. Консепсияи дигари квантӣ, ки барои ҳисоббарории квантӣ муҳим аст ошуфтагӣки ба туфайли он кубитҳоро тавре метавон робита кард, ки онҳо бо як ҳолати квантӣ тавсиф карда шаванд. Андозаи яке аз онҳо дарҳол ҳолати дигареро нишон медиҳад.

Гирифтан дар криптография ва иртиботи квантӣ муҳим аст. Аммо, потенсиали ҳисоббарории квантӣ дар суръатбахшии ҳисоббарорӣ нест. Баръакс, он дар синфҳои муайяни масъалаҳо бартарии экспоненсиалӣ фароҳам меорад, ба монанди ҳисобкунии ададҳои хеле калон, ки барои онҳо оқибатҳои ҷиддӣ доранд киберамният.

Вазифаи таъхирнопазиртарин ҳисоббарории квантӣ эҷод кардани қубитҳои кофӣ ба хатогиҳо барои кушодани потенсиали ҳисоббарории квантӣ мебошад. Таъсири мутақобилаи кубит ва муҳити он сифати иттилоотро дар микросонияҳо паст мекунад. Ҷудо кардани кубитҳо аз муҳити онҳо мушкил ва гарон аст, масалан, тавассути сард кардани онҳо то ҳарорати ба сифр мутлақ. Ҳангоми зиёд шудани шумораи кубитҳо садо зиёд мешавад, ки усулҳои мураккаби ислоҳи хатогиҳоро талаб мекунад.

дар айни замон аз дарвозаҳои мантиқии квантӣ барномарезӣ шудаанд, ки барои компютерҳои хурди квантии прототипӣ қобили қабул аст, аммо дар мавриди ҳазорон кубитҳо ғайриимкон аст. Ба наздикӣ, баъзе ширкатҳо, аз қабили IBM ва Classiq, қабатҳои абстрактии бештареро дар стеки барномасозӣ таҳия мекунанд, ки ба таҳиягарон имкон медиҳанд, ки барномаҳои пуриқтидори квантиро барои ҳалли мушкилоти ҷаҳонии воқеӣ созанд.

Мутахассисон чунин мешуморанд, ки актёроне, ки нияти бад доранд, метавонанд аз ин истифода баранд манфиатҳои ҳисоббарории квантӣ нисбат ба вайронкунихо муносибати нав ба вучуд оваранд киберамният. Онҳо метавонанд амалҳоеро иҷро кунанд, ки дар компютерҳои классикӣ аз ҷиҳати ҳисоббарорӣ хеле гарон хоҳанд буд. Бо компютери квантӣ, ҳакер метавонад ба таври назариявӣ маҷмӯи додаҳоро зуд таҳлил кунад ва ҳамлаҳои мураккабро бар зидди шумораи зиёди шабакаҳо ва дастгоҳҳо оғоз кунад.

Гарчанде ки дар айни замон аз эҳтимол дур нест, ки дар суръати кунунии пешрафти технологӣ, пайдоиши ҳисоббарории квантии таъиноти умумӣ ба зудӣ дар абр ҳамчун инфрасохтор ҳамчун платформаи хидматрасонӣ дастрас шуда, онро барои доираи васеи корбарон дастрас мекунад.

Дар соли 2019, Microsoft эълон кард, ки он пешниҳод мекунад роёниши квантӣ дар абри Azure-и худ, гарчанде ки ин истифодаи онҳоро барои интихоби муштариён маҳдуд мекунад. Дар доираи ин маҳсулот, ширкат ҳалли квантиро пешниҳод мекунад, ба монанди Ҳалкунандаҳо i алгоритмҳо, нармафзори квантӣ, ба монанди симуляторҳо ва абзорҳои баҳодиҳии захираҳо, инчунин таҷҳизоти квантӣ бо меъмории гуногуни кубит, ки эҳтимолан аз ҷониби ҳакерҳо истифода мешаванд. Дигар провайдерҳои хидматрасонии роёниши абрии квантӣ IBM ва Amazon Web Services (AWS) мебошанд.

Муборизаи алгоритмҳо

Рамзҳои рақамии классикӣ ба формулаҳои мураккаби математикӣ такя кунед, то маълумотро ба паёмҳои рамзгузоришуда барои нигоҳдорӣ ва интиқол табдил диҳед. Он барои рамзгузорӣ ва рамзкушоии маълумот истифода мешавад. калиди рақамӣ.

Аз ин рӯ, ҳамлагар кӯшиш мекунад, ки усули рамзкунониро вайрон кунад, то маълумоти муҳофизатшударо дуздида ё тағир диҳад. Роҳи возеҳи ин кор ин аст, ки санҷидани ҳама калидҳои имконпазир барои муайян кардани калидҳое, ки маълумотро дубора ба шакли хондани инсон бозгардонад. Равандро бо истифода аз компютери муқаррарӣ анҷом додан мумкин аст, аммо кӯшиш ва вақти зиёдро талаб мекунад.

Онҳо дар айни замон вуҷуд доранд ду намуди асосии рамзгузорӣ: симметрӣҳамон калид барои рамзгузорӣ ва рамзкушоии маълумот истифода мешавад; инчунин асимметрӣ, яъне бо калиди оммавӣ, ки ҷуфти калидҳои аз ҷиҳати риёзӣ алоқамандро дар бар мегирад, ки яке аз онҳо барои рамзгузории паём барои соҳиби ҷуфти калидҳо дастрас аст ва дигаре барои рамзкушоӣ аз ҷониби соҳибаш махфӣ нигоҳ дошта мешавад. паём.

W рамзгузории симметрӣ ҳамон калид барои рамзгузорӣ ва рамзкушоии порчаи додашуда истифода мешавад. Намунаи алгоритми симметрӣ: Стандарти рамзгузории пешрафта (AES). алгоритми AES, ки аз ҷониби ҳукумати ИМА қабул шудааст, се андозаи калидиро дастгирӣ мекунад: 128-бит, 192-бит ва 256-бит. Алгоритмҳои симметрӣ одатан барои вазифаҳои рамзгузории оммавӣ, ба монанди рамзкунонии пойгоҳи додаҳои калон, системаҳои файлӣ ва хотираи объект истифода мешаванд.

W рамзгузории асимметрӣ маълумот бо як калид (одатан калиди ҷамъиятӣ номида мешавад) ва бо калиди дигар (одатан калиди хусусӣ номида мешавад) рамзкушо карда мешавад. Одатан истифода мешавад Алгоритми Rivest, Шамира, Адлеман (RSA) як мисоли алгоритми асимметрӣ мебошад. Гарчанде ки онҳо нисбат ба рамзгузории симметрӣ сусттаранд, алгоритмҳои асимметрӣ масъалаи тақсимоти калидҳоро ҳал мекунанд, ки ин масъалаи муҳими рамзгузорӣ мебошад.

Криптографияи калиди оммавӣ он барои мубодилаи бехатари калидҳои симметрӣ ва барои тасдиқи рақамӣ ё имзои паёмҳо, ҳуҷҷатҳо ва сертификатҳое истифода мешавад, ки калидҳои оммавиро бо шахсияти дорандагони онҳо алоқаманд мекунанд. Вақте ки мо ба вебсайти бехатаре, ки протоколҳои HTTPS-ро истифода мебарад, боздид мекунем, браузери мо криптографияи калиди ҷамъиятиро барои тасдиқи сертификати вебсайт истифода мебарад ва калиди симметриро барои рамзгузории иртибот ба вебсайт ва аз вебсайт насб мекунад.

Зеро амалан ҳама барномаҳои интернетӣ ҳардуро истифода мебаранд криптографияи симметрӣи криптографияи калиди ҷамъиятӣҳарду шакл бояд бехатар бошанд. Роҳи осонтарини шикастани код ин санҷидани ҳамаи калидҳои имконпазир аст, то он даме, ки калидҳои коркунанда ба даст оред. Компютерҳои оддӣ ин корро карда метавонанд, вале ин хеле душвор аст.

Масалан, дар моҳи июли соли 2002, гурӯҳ эълон кард, ки онҳо калиди симметрии 64-битаро кашф карданд, аммо кӯшиши 300 нафарро талаб кард. одамон зиёда аз чоруним сол кор мекунанд. Калид ду маротиба дарозтар ё 128 бит зиёда аз 300 ҳалли секстиллион дорад, ки шумораи онҳо ҳамчун 3 ва сифр ифода карда мешавад. Ҳатто тезтарин суперкомпютери ҷаҳон Барои ёфтани калиди дуруст триллионҳо сол лозим мешавад. Аммо, як техникаи ҳисоббарории квантӣ, ки алгоритми Гровер ном дорад, бо табдил додани калиди 128-бит ба муодили компютери квантии калиди 64-битӣ равандро суръат мебахшад. Аммо муҳофизат оддӣ аст - калидҳо бояд дароз карда шаванд. Масалан, калиди 256-битӣ аз ҳамлаи квантӣ ҳамчун калиди 128-бит аз ҳамлаи муқаррарӣ муҳофизат мекунад.

Криптографияи калиди оммавӣ аммо ин аз сабаби тарзи кори математика мушкили хеле калонтар аст. Дар ин рӯзҳо маъмул алгоритмҳои рамзгузории калиди ҷамъиятӣном дорад RSA, Diffiego-Hellman i криптографияи каҷи эллиптикӣ, онҳо ба шумо имкон медиҳанд, ки бо калиди оммавӣ оғоз кунед ва калиди хусусиро ба таври риёзӣ ҳисоб карда, бидуни азназаргузаронии тамоми имкониятҳо.

онҳо метавонанд ҳалли рамзгузориро вайрон кунанд, ки амнияти онҳо ба факторизатсияи ададҳои бутун ё логарифмҳои дискретӣ асос ёфтааст. Масалан, бо истифода аз усули RSA, ки ба таври васеъ дар тиҷорати электронӣ истифода мешавад, калиди хусусиро тавассути факторинги адад, ки ҳосили ду адади ибтидоӣ аст, ба мисли 3 ва 5 барои 15 ҳисоб кардан мумкин аст. То кунун рамзгузории калиди ҷамъиятӣ шикастнопазир буд. . Тадқиқот Питер Шор дар Донишкадаи технологии Массачусетс зиёда аз 20 сол пеш нишон дод, ки шикастани рамзгузории асимметрӣ имконпазир аст.

метавонад бо истифода аз усуле, ки алгоритми Шор ном дорад, дар тӯли чанд соат ҷуфтҳои калидҳои 4096-битро шикаста метавонад. Бо вуҷуди ин, ин идеал аст компютерҳои квантии оянда. Дар айни замон шумораи калонтарине, ки дар компютери квантӣ ҳисоб карда мешавад, 15 - ҳамагӣ 4 бит аст.

Гарчанде алгоритмҳои симметрӣ Алгоритми Шор дар хатар нест, қудрати ҳисоббарории квантӣ андозаи калидиро маҷбур мекунад, ки зиёд карда шаванд. Барои намуна компютерҳои бузурги квантӣ, ки алгоритми Гроверро иҷро мекунанд, ки усулҳои квантиро барои пурсиши пойгоҳи додаҳо хеле зуд истифода мебарад, метавонад дар ҳамлаҳои бераҳмона бар зидди алгоритмҳои рамзгузории симметрӣ ба монанди AES беҳбудии чаҳоркаратаро таъмин кунад. Барои муҳофизат аз ҳамлаҳои қувваи бераҳмона, андозаи калидро ду баробар зиёд кунед, то як сатҳи муҳофизатро таъмин кунед. Барои алгоритми AES, ин маънои истифодаи калидҳои 256-битро барои нигоҳ доштани қудрати амнияти имрӯзаи 128-бит дорад.

Имруз Рамзгузории RSA, як шакли васеъ истифодашавандаи рамзгузорӣ, махсусан ҳангоми интиқоли маълумоти ҳассос тавассути Интернет, ба рақамҳои 2048-бит асос ёфтааст. Мутахассисон тахмин мекунанд компютери квантӣ барои шикастани ин рамзгузорӣ то 70 миллион кубит лозим аст. Фарз кардем Дар айни замон бузургтарин компютерҳои квантӣ аз сад кубит зиёд нестанд. (ҳарчанд IBM ва Google нақша доранд, ки то соли 2030 ба як миллион нафар бирасанд), то пайдо шудани таҳдиди воқеӣ шояд муддати тӯлонӣ лозим бошад, аммо бо суръат гирифтани суръати таҳқиқот дар ин самт, наметавон рад кард, ки чунин компютер дар 3—5 соли наздик сохта шаванд.

Масалан, Google ва Институти KTH дар Шветсия ба наздикӣ "роҳи беҳтар" пайдо кардаанд Компютерҳои квантӣ метавонанд бо вайрон кардани код ҳисобҳо анҷом диҳанд, кам кардани микдори ресурсхое, ки ба онхо лозим аст, бо супориши калон. Ҳуҷҷати онҳо, ки дар MIT Technology Review нашр шудааст, иддао мекунад, ки компютери дорои 20 миллион кубит метавонад рақами 2048-битро дар тӯли 8 соат вайрон кунад.

Криптографияи пас аз квантӣ

Дар солхои охир олимон барои эчод кардан бисьёр мехнат карданд рамзгузории "квантӣ бехатар". American Scientist гузориш медиҳад, ки Институти Миллии Стандартҳо ва Технологияи ИМА (NIST) аллакай 69 техникаи нави эҳтимолиро бо номи "криптографияи пас аз квантӣ (PQC)" таҳлил мекунад. Бо вуҷуди ин, дар ҳамон нома таъкид мешавад, ки масъалаи шикастани криптографияи муосир тавассути компютерҳои квантӣ то ҳол фарзия боқӣ мемонад.

3. Яке аз моделҳои криптографии ба тор асосёфта сохта шудааст.

Дар ҳар сурат, тибқи гузориши соли 2018 аз Академияи Миллии Илм, Муҳандисӣ ва Тибб, "криптографияи нав бояд ҳоло таҳия ва амалӣ карда шавад, ҳатто агар як компютери квантӣ қодир ба шикастани криптографияи имрӯза дар даҳсола сохта нашавад." . Компютерҳои квантӣ, ки кодшикании оянда метавонанд қудрати коркарди садҳо маротиба бештар ва сатҳи хатогиҳои кам дошта бошанд, ки онҳо метавонанд бо амалияҳои муосири амнияти киберҷинояткорӣ мубориза баред.

Аз қарорҳое, ки "криптографияи пас аз квантӣ" ном доранд, аз ҷумла ширкати PQShield маълуманд. Мутахассисони амният метавонанд алгоритмҳои анъанавии криптографиро бо алгоритмҳои шабакавӣ иваз кунанд. (криптографияи ба тор асосёфта), ки бо назардошти амният сохта шудаанд. Ин усулҳои нав маълумотро дар дохили масъалаҳои мураккаби математикӣ, ки торҳо номида мешаванд, пинҳон мекунанд (3). Ҳал кардани чунин сохторҳои алгебрӣ душвор аст ва ба криптографҳо имкон медиҳад, ки ҳатто дар муқобили компютерҳои пуриқтидори квантӣ иттилоотро муҳофизат кунанд.

Ба гуфтаи муҳаққиқи IBM, Сесилия Бошини, криптографияи ба шабака асосёфта дар оянда ҳамлаҳои квантии компютериро пешгирӣ мекунад ва инчунин барои рамзгузории пурраи гомоморфӣ (FHE) замина фароҳам меорад, ки ба корбарон имкон медиҳад, ки бидуни дидани маълумот ё фош кардани он ба ҳакерҳо дар файлҳо ҳисобҳо анҷом диҳанд.

Усули дигари умедбахш аст тақсимоти калиди квантӣ (Самаранокӣ). Тақсимоти квантии калидҳои QKD (4) падидаҳои механикаи квантиро (масалан, печидан) барои таъмини мубодилаи комилан махфии калидҳои рамзгузорӣ истифода мебарад ва ҳатто метавонад дар бораи мавҷудияти "гӯшкунак" байни ду нуқтаи ниҳоӣ огоҳ кунад.

Дар аввал, ин усул танҳо тавассути нахи оптикӣ имконпазир буд, аммо ҳоло Quantum Xchange роҳи фиристодани онро тавассути Интернет низ таҳия кардааст. Масалан, тачрибахои хитоии ККК ба воситаи спутник дар масофаи якчанд хазор километр маълум аст. Илова ба Чин, пешравон дар ин соҳа KETS Quantum Security ва Toshiba мебошанд.

4. Яке аз моделҳои тақсимоти квантӣ, QKD