Y2Q - чи зможуть квантові комп’ютери зламати Інтернет?

Щомиті незліченні обсяги приватної інформації проносяться по інтернет-кабелях і оптичних волокнах. Конфіденційність цієї інформації залежить від способу шифрування даних.

Але математична основа цих методів знаходиться під загрозою з боку ворога, який донедавна здавався гіпотетичним: квантових комп’ютерів.

Сьогодні квантові комп’ютери занадто слабкі, щоб подолати сучасні заходи безпеки. Але з тим, що такі потужні квантові машини, які регулярно розгортають IBM і Google, вчені, уряди та інші починають вживати заходів. Експерти поширюють інформацію про те, що настав час підготуватися до важливої віхи, яку деякі називають Y2Q (Years to Quantum). Цього року квантові комп’ютери отримають можливість зламувати схеми кодування, які забезпечують безпеку електронних комунікацій.

«Якщо це шифрування колись буде зламано, — каже математик Мікеле Моска (Michele Mosca), — це буде системна катастрофа».

Зараз вчені та математики терміново працюють над підготовкою до цієї невідомої дати, розробляючи нові способи шифрування даних, які не будуть сприйнятливі до квантового декодування.
                                                                              
Якщо необхідно поділитися з кимось секретним повідомленням, можна зашифрувати його, щоб можна було розшифрувати пізніше.

При шифруванні з симетричним ключем для кодування та декодування повідомлення використовується той самий секретний ключ.
 
Але в сучасному світі з глобальним зв’язком криптографія з симетричним ключем є проблема. Як доставити секретний ключ до когось на іншому кінці планети, когось, кого ви ніколи не зустрічали, і щоб він не потрапив до нікого іншого?

Щоб вирішити цю проблему, у 1970-х роках вчені розробили криптографію з відкритим ключем, яка використовує спеціальні математичні трюки для вирішення головоломки симетричного ключа. Вона використовує два різні, математично пов’язані ключі. Відкритий ключ використовується для шифрування повідомлень, а математично пов’язаний закритий ключ розшифровує їх. Але квантові комп’ютери загрожуватимуть криптографії з відкритим ключем.

Щоб прочитати інформацію, треба мати доступ до даних за допомогою закритого ключа. «Десь там мають бути потаємні двері, куди, якщо я постукаю правильно, вони відчиняться», — каже Моска.

Проблема пошуку простих множників великого числа лежить в основі одного з основних типів шифрування з відкритим ключем, який використовується сьогодні, відомого як RSA. Інша математична задача, відома як проблема дискретного логарифма, є подібною вулицею з одностороннім рухом.

Ці дві математичні проблеми лежать в основі майже всієї криптографії з відкритим ключем, яка використовується сьогодні. Але достатньо потужний квантовий комп’ютер розкрив би таємні двері навстіж.

Ця вразливість виявилася в 1994 році, коли математик Пітер Шор розробив алгоритм, який дозволив би квантовим комп’ютерам розв’язувати обидві ці математичні проблеми.

За оцінками Моска, у найближчі 15 років є приблизно 50% шанс появи квантового комп’ютера, достатньо потужного, щоб зламати стандартне шифрування з відкритим ключем.

Квантовий Інтернет може посилити безпеку. Завдяки передачі фотонів і вимірюванню їхніх властивостей після надходження можна згенерувати спільний приватний ключ, який надійно захищений від перехоплювачів.

Цей квантовий розподіл ключів, або QKD, спирається на принцип квантової фізики, який називається теоремою про заборону клонування. По суті, неможливо скопіювати квантову інформацію. Будь-яка спроба зробити це змінить початкову інформацію, виявивши, що хтось стежив.

Але QKD не можна зробити через звичайні канали. Для цього потрібні квантові мережі, в яких створюються фотони, які мчать по оптичних волокнах і ними маніпулюють на іншому кінці.

І один відсутній компонент, зокрема, стримує квантові мережі. «Пристроєм номер один є квантова пам’ять», — каже квантовий фізик Сюнфен Ма (Xiongfeng Ma) з Університету Цінхуа в Пекіні. При надсиланні квантової інформації на великі відстані через волокна, частинки можуть легко загубитися на цьому шляху. Для відстаней понад 100 кілометрів це робить квантовий зв’язок непрактичним без використання проміжних станцій, які підсилюють сигнал. Такі шляхові станції тимчасово перетворюють дані в класичну, а не квантову інформацію. Цей класичний крок означає, що хакери можуть націлитися на ці «надійні вузли» непоміченими, погіршуючи безпеку QKD. І це обмежує те, які квантові маневри можуть робити мережі.

Неможливо створити пари частинок, які переплутані на великих відстанях у такій мережі. Але спеціальні станції, розкидані по всій мережі, які називаються квантовими повторювачами, можуть вирішити проблему, зберігаючи інформацію в квантовій пам’яті. Щоб створити далеко розташовані заплутані частинки, вчені могли спочатку переплутати набори частинок на короткій відстані, зберігаючи їх у квантовій пам’яті на кожному квантовому ретрансляторі. Виконання певних операцій із заплутаними частинками може перескочити на інші частинки, розташовані далі одна від одної. Повторюючи цей процес, частинки можуть заплутуватися на великих відстанях.

Квантові методи, виконані належним чином, можуть перешкодити будь-кому перехопити секрети, навіть потужним державним установам.

«Цікаво подумати про світ, де, в принципі, можна уявити ідеальну безпеку, — каже Авшалом. — Це добре чи погано?»

Зв’язок між наземною станцією (червоний і зелений лазери) і квантовим супутником Micius показує потенціал безпечного зв’язку на великій відстані. Супутник випромінює фотони на наземну станцію в Сінлун, Китай.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365