Как квантовая физика может усилить криптозащиту

How quantum physics can increase cryptographic security

Zarina Ilyassova

student, Kazakh University of Economics, Finance and International Trade, Republic of Kazakhstan, Astana

Leila Kassenova

Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor, Kazakh University of Economics, Finance and International Trade, Republic of Kazakhstan, Astana

Аннотация. В этой статье рассматриваются вопросы актуальности квантовых компьютеров, их применение и вопросы криптозащиты в современном мире.

Abstract. This article examines the relevance of quantum computers, their application and the issues of cryptographic protection in the modern world.

Ключевые слова: квантовая физика, криптозащита, шифрование, квантовый компьютер.

Keywords: quantum physics, cryptographic protection, encryption, quantum computer.

В последнее время участились кибератаки в деловом мире. Доступ к данным таких компаний, как JP Morgan, Yahoo, Home Depot и Target, вызвал их потери сотнями миллионов, а в некоторых случаях даже миллиарды долларов. Чтобы нанести ущерб мировой экономике, нет необходимости совершать много таких атак.

По мере развития компьютерных технологий системы защиты данных становятся всё более уязвимыми. Вызывает интерес и новый вид компьютерной технологии — вычисления на квантовых компьютерах, которые используют микроскопические свойства природы для колоссального увеличения вычислительной мощности. Он настолько мощный, что сможет взломать многие современные системы шифрования.

Квантовые компьютеры все еще находятся в разработке, и это займет довольно много времени, прежде чем они начнут воплощаться в жизнь. Важно то, что в области шифрования есть большие прорывы. Меня заинтриговала идея применения фундаментальных законов физики для создания более безопасного шифрования. Сегодня ряд компаний и лабораторий по всему миру работают над этими технологиями, чтобы реализовать их на практике.

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. В результате можно обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая гигантского превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов[1, с. 54].

Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики[2].

Примерно три года назад компания IBM презентовала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами (кубитами), который на данный момент называется IBM Q Experience. А уже несколько месяцев назад IBM и Intel объявили о создании квантовых компьютеров на 50 и 49 кубитов. Также известно, что еще один компьютер ожидает собственного часа в стенах компании Google. «Сообщество полно энергии, а недавние прорывы поражают», — заявляет физик Йенс Айзерт из Свободного университета Берлина.

В настоящее время ведутся разговоры о надвигающемся «квантовом превосходстве»: времени, когда квантовый компьютер сможет выполнить задачу, непосильную даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Если сравнивать одни лишь числа, то такое заявление может показаться нелепым: 50 кубитов против миллиардов классических битов в любом ноутбуке. Но вся суть квантовых вычислений заключается в том, что квантовый бит способен на гораздо большее, чем классический. Долгое время считалось, что 50 кубитов будет достаточно для проведения вычислений, которые обычный компьютер выполнял бы бесконечно долго[3].  

Рассмотрим одну из самых широко используемых сегодня систем — RSA. Когда она была изобретена в 1977 году, предполагалось, что для того, чтобы взломать 426-битный ключ RSA, потребуется 40 квадриллионов лет. В 1994 году, всего лишь 17 лет спустя, код был взломан. По мере того, как компьютеры становились мощнее, нам приходилось использовать более сложные коды. Сегодня мы обычно используем 2 048 или 4 096 бит. Как видите, создатели кода и хакеры участвуют в непрекращающейся битве, пытаясь перехитрить друг друга. И когда квантовые компьютеры появятся в ближайшие 10–15 лет, они смогут ещё быстрее взломать сложную математику, которая лежит в основе многих современных систем шифрования. Квантовый компьютер, скорее всего, превратит нашу нынешнюю надёжную крепость в простой карточный домик. Мы должны найти способ защитить нашу крепость[4].

Помните три основных элемента шифрования: высококачественные ключи, безопасный обмен ключами и сложный алгоритм? Достижения в области науки и техники угрожают двум из этих трех элементов. Во-первых, сами ключи. Случайные числа являются основными строительными блоками ключей шифрования. Но сегодня они не совсем случайны. Сегодня мы создаем ключи шифрования из случайных числовых последовательностей, генерируемых программным обеспечением, так называемые псевдослучайные числа. В числах, генерируемых программой или математической формулой, так или иначе, существует определенная закономерность. Менее случайные числа - в научной терминологии: чем меньше энтропии они содержат, тем легче предсказать их.

Для безопасного шифрования необходим генератор по-настоящему случайных чисел. Уже долгие годы учёные ищут возможность создания такого генератора. Но большинство попыток на сегодня либо недостаточно случайны, недостаточно быстры, либо их сложно повторить. Но квантовый мир основан на случайности. Поэтому имеет смысл воспользоваться этим фактом. Устройства, которые могут измерять квантовые эффекты, могут также создавать бесконечный поток случайных чисел на высокой скорости.

Ряд ведущих университетов и компаний по всему миру занимаются созданием действительно случайных генераторов чисел. Первый квантовый генератор составлял один метр в два метра и помещался на оптический стол. Позже они смогли уменьшить размер сервера. Сегодня их размер равен плате PCI, которая подключается к стандартному ПК. Это самый быстрый генератор случайных чисел в мире. Его производительность составляет миллиард случайных чисел в секунду. Сегодня он используется для укрепления безопасности облачных провайдеров, банков, правительственных учреждений по всему миру.

Но даже с таким генератором вторая серьезная проблема остается нерешенной: угроза обеспечения обмена ключами. Современные методы обмена ключами несовместимы с квантовым компьютером. Квантовое решение этой задачи называется «распределением квантовых ключей» или QKD, которое основано на фундаментальной, парадоксальной характеристике квантовой механики. Квантовая частица изменяется в зависимости от ее наблюдения.

Готова поспорить, что квантовые технологии смогут обеспечить это доверие, позволив нам в полной мере воспользоваться удивительными инновациями, которые обогатят нашу жизнь.