Paaiškinkite: kas yra postkvantinė kriptografija?

Ponia Tech

Tai trečiasis kvantinės technologijos paaiškinimų serijos. Kiti du apima kvantinį skaičiavimą ir kvantinį ryšį.

Nedaugelis iš mūsų labai susimąsto apie mažytį spynos simbolį, kuris pasirodo mūsų interneto naršyklėse kiekvieną kartą, kai naudojamės el. prekybos svetaine, siunčiame ir gauname el. laiškus arba tikriname savo banko ar kredito kortelių sąskaitas. Tačiau tai signalas, kad internetinės paslaugos naudoja HTTPS – žiniatinklio protokolą, kuris užšifruoja internetu siunčiamus duomenis ir gaunamus atsakymus. Ši ir kitos šifravimo formos apsaugo visų rūšių elektroninius ryšius, taip pat tokius dalykus kaip slaptažodžiai, skaitmeniniai parašai ir sveikatos įrašai.

Kvantiniai kompiuteriai gali pakenkti šiai kriptografinei apsaugai. Mašinos nėra pakankamai galingos, kad tai padarytų šiandien, tačiau jos sparčiai tobulėja. Gali būti, kad po kiek daugiau nei dešimtmečio – o gal net greičiau – šios mašinos gali kelti grėsmę plačiai naudojamiems kriptografijos metodams. Štai kodėl mokslininkai ir saugumo įmonės lenktyniauja kurdamos naujus kriptografijos metodus, kurie galėtų atlaikyti būsimas įsilaužėlių kvantines atakas.

Kaip veikia skaitmeninis šifravimas?

Yra du pagrindiniai šifravimo tipai. Simetrinis šifravimas reikalauja, kad siuntėjas ir gavėjas turėtų identiškus skaitmeninius raktus duomenims užšifruoti ir iššifruoti, o šifruojant asimetrinį arba viešąjį raktą naudojamas viešai prieinamas raktas, leidžiantis žmonėms šifruoti pranešimus gavėjui, kuris yra vienintelis privataus rakto savininkas. reikėjo juos iššifruoti.

Kartais šie du metodai naudojami kartu. Pavyzdžiui, HTTPS atveju žiniatinklio naršyklės naudoja viešojo rakto kriptografiją, kad patikrintų svetainių galiojimą, o tada sukuria simetrinį raktą, kad užšifruotų ryšius.

Tikslas yra neleisti įsilaužėliams naudoti didžiulius kiekius skaičiavimo galios bandydami atspėti naudojamus raktus. Norėdami tai padaryti, populiarūs kriptografijos metodai, įskaitant vieną žinomą kaip RSA, o kitą vadinamą elipsinės kreivės kriptografija, paprastai naudoja vadinamąsias spąstų funkcijas – matematines konstrukcijas, kurias gana lengva apskaičiuoti viena kryptimi kuriant raktus, tačiau yra labai sunkios priešininkui. apgręžti.

Įsilaužėliai gali bandyti sulaužyti kodą bandydami visus įmanomus rakto variantus, kol vienas veiks. Tačiau gynėjai labai apsunkina jų gyvenimą, naudodami labai ilgas raktų poras, pavyzdžiui, RSA 2 048 bitų diegimą, kuris suteikia raktą, kurio ilgis yra 617 skaitmenų po kablelio. Įprastuose kompiuteriuose atliekant visas įmanomas permutacijas, norint gauti privačius raktus, gali prireikti daug tūkstančių, jei ne milijonų, metų.

Kodėl kvantiniai kompiuteriai kelia grėsmę šifravimui?

Nes jie galėtų padėti įsilaužėliams daug greičiau grįžti atgal per algoritmines spąstus. Skirtingai nuo klasikinių kompiuterių, kuriuose naudojami bitai, kurie gali būti tiek vienas s arba 0 s, kvantinės mašinos naudoja kubitus, kurie gali parodyti daugybę galimų būsenų vienas ir 0 tuo pačiu metu – reiškinys, žinomas kaip superpozicija. Jie taip pat gali paveikti vienas kitą per atstumą dėl reiškinio, žinomo kaip įsipainiojimas.

Dėl šių reiškinių, pridėjus vos kelis papildomus kubitus, gali padidėti apdorojimo galia. Kvantinė mašina, turinti 300 kubitų, gali parodyti daugiau reikšmių, nei yra stebimoje visatoje atomų. Darant prielaidą, kad kvantiniai kompiuteriai gali įveikti kai kuriuos būdingus jų veikimo apribojimus, jie ilgainiui galėtų būti naudojami visoms įmanomoms kriptografinio rakto permutacijai išbandyti per gana trumpą laiką.

Įsilaužėliai taip pat greičiausiai išnaudos kvantinius algoritmus, kurie optimizuoja tam tikras užduotis. Vienas iš tokių algoritmų, kurį 1996 m. paskelbė Lovas Groveris iš AT&T Bell Labs, padeda kvantiniams kompiuteriams daug greičiau ieškoti galimų permutacijų. Kitas, 1994 m. paskelbtas Peterio Šoro, kuris tuo metu dirbo „Bell Labs“, o dabar yra MIT profesorius, padeda kvantinėms mašinoms neįtikėtinai greitai rasti pirminius sveikųjų skaičių veiksnius.

Šoro algoritmas kelia pavojų viešojo rakto šifravimo sistemoms, tokioms kaip RSA, kurių matematinė apsauga iš dalies priklauso nuo to, kaip sunku pakeisti labai didelių pirminių skaičių dauginimo rezultatą. Praėjusiais metais JAV nacionalinių mokslų, inžinerijos ir medicinos akademijų paskelbtoje kvantinio skaičiavimo ataskaitoje prognozuojama, kad galingas kvantinis kompiuteris, kuriame veikia Shoro algoritmas, sugebės greičiau nei per dieną nulaužti 1024 bitų RSA diegimą.

Ar kvantiniai kompiuteriai netrukus pažeis kriptografinę apsaugą?

Tai labai mažai tikėtina. Nacionalinių akademijų tyrime teigiama, kad norint kelti realią grėsmę, kvantinėms mašinoms reikės daug daugiau apdorojimo galios, nei pasiekė geriausios šiandieninės kvantinės mašinos.

Vis dėlto tai, ką kai kurie saugumo tyrinėtojai mėgsta vadinti Y2Q – metais, kai kvantinis kodų įlaužimas tampa dideliu galvos skausmu – gali stebėtinai greitai. 2015 m. mokslininkai padarė išvadą, kad kvantiniam kompiuteriui prireiktų milijardo kubitų, kad būtų galima gana patogiai nulaužti 2048 bitų RSA sistemą; naujesni darbai rodo, kad kompiuteris su 20 milijonų kubitų galėtų atlikti šį darbą vos per aštuonias valandas.

Tai vis dar gerokai viršija galingiausios šiandieninės kvantinės mašinos, turinčios 128 kubitus, galimybes (žr. mūsų kubitų skaitiklį čia ). Tačiau kvantinio skaičiavimo pažanga yra nenuspėjama. Neturint kvantinės saugios kriptografinės apsaugos, įsilaužėliai, turintys prieigą prie kvantinių kompiuterių, gali būti nukreipti į įvairius dalykus, nuo autonominių transporto priemonių iki karinės įrangos, jau nekalbant apie internetines finansines operacijas ir ryšius.

Bet kuri įmonė ar vyriausybė, planuojanti saugoti duomenis dešimtmečius, turėtų dabar pagalvoti apie technologijos keliamą riziką, nes vėliau gali būti pažeistas šifravimas, kurį jie naudoja jai apsaugoti. Gali prireikti daug metų, kol grįžtame atgal ir iš naujo užkoduojame kalnus istorinių duomenų naudojant tvirtesnes apsaugos priemones, todėl būtų geriau jas taikyti dabar. Taigi didelis postūmis plėtoti postkvantinę kriptografiją.

Kas yra postkvantinė kriptografija?

Tai naujų rūšių kriptografinių metodų, kuriuos galima įgyvendinti naudojant šiuolaikinius klasikinius kompiuterius, kūrimas, tačiau jie bus nepralaidūs rytojaus kvantinių kompiuterių atakoms.

Viena iš gynybos linijų yra padidinti skaitmeninių raktų dydį, kad permutacijų, kurių reikia ieškoti naudojant brutalią skaičiavimo galią, skaičius žymiai padidėtų. Pavyzdžiui, tiesiog padvigubinus rakto dydį nuo 128 bitų iki 256 bitų, galimų permutacijų, kurias turėtų ieškoti kvantinė mašina, naudojanti Groverio algoritmą, skaičius išauga į kvadratą.

Kitas metodas apima sudėtingesnių spąstų funkcijų kūrimą, kurias sunkiai nulaužtų net labai galinga kvantinė mašina, kuri vykdo tokį algoritmą kaip Shor's. Tyrėjai dirba su įvairiais metodais, įskaitant egzotiškai skambančius, tokius kaip gardelės kriptografija ir supersingular izogeninių raktų mainai.

Siekiama neįtraukti vieno ar kelių metodų, kurie gali būti plačiai taikomi. JAV nacionalinis standartų ir technologijų institutas 2016 m. pradėjo procesą, skirtą sukurti postkvantinio šifravimo standartus, skirtus vyriausybės reikmėms. Tai jau sumažino pradinį 69 pasiūlymų rinkinį iki 26 , tačiau teigia, kad greičiausiai bus maždaug 2022 m., kol bus pradėti rengti standartų projektai.

Spaudimas yra didelis, nes šifravimo technologijos yra giliai įterptos į daugybę skirtingų sistemų, todėl jų išskaidymas ir naujų įdiegimas gali užtrukti daug laiko. Praėjusių metų Nacionalinių akademijų tyrime pažymėta, kad prireikė daugiau nei dešimtmečio, kad būtų visiškai panaikintas vienas plačiai naudojamas kriptografinis metodas, kuris buvo įrodytas kaip ydingas. Atsižvelgiant į kvantinio skaičiavimo raidos greitį, pasaulis gali neturėti tiek daug laiko kovoti su šia nauja saugumo grėsme.

paslėpti