Квантовые компьютеры как новая эра в сфере криптографии

В наше время в обществе закрадываются мысли о том, что компьютеры и информационные сети в целом будут представлять опасность личной и коммерческой тайне в будущем. Это может произойти в связи с наличием огромного количества персональных и корпоративных данных в компьютерах, доступ к этим данным ним можно получить через удаленные терминалы. Эти устройства являются средством накопления информации о совершённых сделках, различных разработок, а также данных людей и группах людей. Так как доступ к данным позволяет контролировать материальные и финансовые ценности, а информация приобрела огромную стоимость, то получение несанкционированного доступа к информации представляет собой угрозу.

К счастью, существует квантовая криптография, которая способна предотвратить распространение данной угрозы.

Истоки квантовой криптографии

Истоками квантовой криптографии является квантовая физика, которая имеет место в обыденной жизни. Например, люди каждый день используют оптические квантовые генераторы, компьютерные компакт-диски и интегральные микросхемы. В последние годы у исследователей вызывает большой интерес изучение приложений квантовой физики, связанных с вычислениями. По словам ученых, этой работой в ближайшем будущем будут заниматься квантовые компьютеры.

История изучения квантовых компьютеров началась еще во времена СССР. В 1973 году специалист в области математики А.С.Холево опубликовал работу, в которой доказал, что квантовые биты (кубиты) могут хранить в себе такое количество информации, которое недоступно другим устройствам. В 1980 году Ю.Н.Манин продолжил изучение квантовых компьютеров и выпустил книгу «Вычислимое и невычислимое». Однако только лишь после исследования в 1981 году американца Ричарда Фейнмана люди начали говорить про квантовые компьютеры. В своем исследовании американский физик предложил на всеобщее обозрение элементарную модель квантового компьютера, которая будет способна провести такое моделирование.

После опубликования данных открытий ученые с разных уголков мира проявили свой интерес к квантовым симуляторам, которые смогут успешно смоделировать физические явления в более сложные системы.

В 1996 году ученый из Америки Лов Гровер выдвинул идею создания квантового алгоритма решения задач, способного ускорить поиск необходимых данных в неупорядоченных массивах информации. В 1998 году, ученые смогли реализовать данный алгоритм при помощи использования компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В ходе реализации, было выявлено, что эти компьютеры не имеют значительного преимущества над классическим вариантом.

Спустя много лет, в 2009 году было наконец-то доказано превосходство квантового компьютера. В ходе исследования специалисты использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода. Ученые доказали, что эта задача непосильна для обычного компьютера, однако с ней сможет справиться квантовый компьютер.

Квантовый компьютер – это такое вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Его главное преимущество перед классическими компьютерами, заключается в том, что они используют квантовые биты (кубиты) для решения алгоритмических задач. Квантовые биты могут существовать в разных состояниях одновременно, тем самым вычисления происходят мгновенно, и нет необходимости в просматривании всех комбинаций. На обычно же компьютере вся информация хранится в двоичном коде, поэтому при решении различных задач компьютер осуществляет большое количество операций с битами. Благодаря данным факторам, можно сделать вывод о том, что классический компьютер гораздо медленнее выполняет задачи по сравнению с квантовым компьютером.

Рис. 1. Биты и кубиты

Криптография – это наука, показывающая методы предоставления неосуществимости чтения информации сторонним пользователем (конфиденциальность), неосуществимости изменения информации (целостность), проверки подлинности авторства или иных качеств предмета (аутентификация), а также неосуществимости отказа от авторства.

В век информационных технологий секретность данных не только нужна, чтобы информация была защищена и не попала в чужие руки, а также она является ключевым компонентом криптовалюты. Все мы знаем про случаи подслушивания разведывательных служб, которые происходили в нашем мире в разное время, данный факт обнародовал миру тот факт, что нет такого метода шифрования, который бы смог обеспечить безопасность данных. Как показывает практика, в скором будущем данные будут надежно защищены благодаря использованию квантовой криптографии для шифрования информации.

Процесс шифрования данных в наше время

На сегодняшний день процесс шифрования основан на алгоритме (который назван в честь его изобретателей Ривеста, Шамира и Адлемана), который является «асимметричной» системой шифрования и использующий комбинацию открытого и закрытого ключей.

Данный процесс основан на теории чисел, алгоритм опирается на понятие простых чисел. При процедуре шифрования ему нужно просто умножить числа, заданные открытым и закрытым ключами получателя. Человек может расшифровать сразу большое количество отправленных ему сообщений, используя их открытый ключ и закрытый ключ.

Явление асимметрии появляется так как возникают из-за трудностей при попытке расшифровывания сообщения. Трудности могут возникать из-за отсутствия информации о закрытых ключах, ведь чтобы суметь разложить большое число на два простых числа, полученное при подслушивании разбора этого процесса, нужны необходимые знания и умения, если в конечном итоге появляются длинные ключи.

Однако использование длинного ключа обеспечивает сохранность зашифрованных данных, так как современные компьютеры не смогут получить доступ к информации. Данное явление также показывает, что такой алгоритм, как RSA не является математически безопасным, его можно будет взломать, если в скором времени появятся более крупные компьютеры. Данный тип безопасности можно также назвать вычислительно безопасным, так как если длина ключа будет выбрана большой, то ни один компьютер не сможет взломать сообщение.

Рис. 2. Схема реализации квантовой криптографии

Квантовый компьютер может навредить современному шифрованию

Подводя все вышесказанное, можно сказать, что даже самые высокотехнологичные алгоритмы для взлома шифрования RSA масштабируются экспоненциально со временем. Однако, в 1997 году Питер Шор сделал прорыв в данном направлении: он подробно описал в своей работе как можно разложить числа на множители за полиномиальное время на квантовом компьютере.

Можно сделать вывод о том, что большие квантовые компьютеры смогут взломать современные механизмы шифрования. Однако, не стоит отчаиваться, пока что существует две причины, благо-даря которым данный процесс невозможен.

В наше время мир еще не имеет достаточно возможностей, чтобы иметь большой квантовый компьютер повсеместно, который смог бы сделать процесс разложения на множители большого числа возможным. Мощность квантовых компьютеров измеряется в количестве их кубитов. Кубиты эквиваленты транзисторам обычного компьютера. Современные квантовые компьютеры имеют несколько десятков кубитов. Этого недостаточно для правильной реализации алгоритма Шора, так как для этого процесса необходимо в тысячу раз больше кубитов.

Квантовая криптография способна решить данную проблему

В наше время ученые смогли далеко продвинуться в изучении вопроса построения квантового канала передачи информации. Было выявлено, что если использовать одиночные фотоны в таком канале, то измерить их характеристики без их изменения считается невозможным. Это означает, что без нарушения целостности информации, передаваемой по каналу, возможность прослушивания этого канала нереальна. Данное свойство возникло из-за квантовых технологий, однако атаки типа «человека посередине» все равно способны принести печальный результат. Рассмотрим иной пример квантового канала: разделенные расстоянием частицы, находящиеся в запутанном состоянии. Как показало их исследование, если изменить состояние одной частицы, то мгновенно меняется и состояние второй частицы, таким образом мы имеем закрытый канал связи. Эти две частицы являются секретным ключом, распределение которого очень трудоемкое. Этот процесс не может быть сделан удаленно, в отличие от использования асимметричной криптографии.

В Швейцарии во многих банках распространена данная система. Другие страны тоже начали активно внедрять ее. В штате Женева, Швейцария, квантовая криптография активно используется на различных выборах уже десять лет. В Швейцарии стартап Idquantique поставляет машины, основываясь на алгоритме BB84. Данные машины сочетают в себе традиционную криптографию RSA со случайным ключом, который создан квантовым распределением ключей.

Использование квантовых сенсоров в криптографии

В криптографии активно используются квантовые сенсоры.

В последние годы множество ученых применяли на практике сенсоры, работающие на квантовом уровне. В наше время граница между обычными и квантовыми сенсорами остается пока что размытой. Благодаря сенсорам с большой разрешающей способностью, появилась возможность решать такие криптографические задачи:

1. Создание псевдослучайных последовательностей.
2. Использование биосенсоров для локальной аутентификации клиентов.
3. Построение высокоточных атомных часов. Их можно применять вместо серверов времени на некоторых временных интервалах. Например, в децентрализованных схемах могла бы появиться возможность предотвращения опасности перехвата управления сервером времени, который по своей природе является центральным устройством в системе.
4. Появление возможности использовать сенсоры электрического и магнитного полей для прослушивания шифровального оборудования или при изучении генерируемого или рассеиваемого ими таких видов полей, как электрического или магнитного.
5. Использование данных сенсоров позволяет дать толчок к созданию электрических и магнитных ключей, которые будут использоваться совместно с графическими и биометрическими ключами.
6. Поскольку при последовательном наложении электрических и магнитных полей результирующее поле не зависит от алгоритма этого действия, то становится возможной реализация схемы открытого распределения ключа на чисто физических эффектах при процессе передачи возбуждения при помощи пар частиц, находящихся в неоднородном состоянии. В конечном итоге, ученые получают протоколы ОРК и ЦП.
7. Возможность использования локального сенсора химических для того, чтобы увеличить длину общего секретного ключа при помощи чисто физических средств. Совокупность данных методов удвоит эту длину.

В последнее время особый интерес к использованию квантовых компьютеров проявляют военные и ученые из оборонной промышленности. Например, всемирно известная компания ColdQuanta подписала соглашение с Министерством обороны США о создании квантового компьютера, который сделает возможным определения скорости компьютера, необходимой ему для подачи команды радарам обнулить свое местоположение.

Как показывает практика, квантовые компьютеры нужные человечеству, несмотря на всю ту угрозу, которую они несут в себе, так эти компьютеры могут решать актуальные для нашего мира задачи: взлом и шифрование информации, анализ различных баз данных и оптимизация процессов. В скором времени, квантовые компьютеры смогут помогать людям в поиске необходимых материалов или лекарств. Это очень удобно, так как благодаря использованию квантового алгоритма, появится возможность обрабатывать сразу большое количество информации быстро и без вложения особых средства. Приведем пример, благодаря алгоритму общество сможет найти высокотемпературные сверхпроводники, которые проводят электричество без каких-либо потерь при комнатной температуре и существенно сэкономить ресурсы, необходимых на реализацию попыток для самостоятельного поиска.

В наше время все разработчики и специалисты приходят к одному мнению, что уже сейчас необходимо разрабатывать новые идеи и проекты в таких областях, как кибер-безопасность и кибер-коммуникации для того, чтобы в будущем больше не нужно было думать о безопасности данных.

Развитие квантовой технологии в России и во всем мире

Для обеспечения безопасности информации, все страны мира начали активно вкладывать деньги в развитие данных квантовых технологий. Те страны, у кого уже имеется достаточный технологический потенциал, активно поддерживают развитие этих технологий путем создания различных государственных программ. В нашей стране в 2020 году Правительство утвердило новую программу под названием «Квантовые вычисления». В результате, Россия поднялась на один пункт в международной шкале Quantum Technology Readiness Levels. Данная шкала отражает насколько высок уровень развития технологий квантовых вычислений в каждой отдельной стране. Правительство также объявило о готовности активно помогать российским исследователям данной области. Ученые работают над созданием единой цифровой платформы по квантовым технологиям для обмена команд опытом и наработками.

В нашей стране развитие квантовых технологий соответствует Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, Стратегии развития информационного общества российской федерации и указу Президента РФ «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года». Как показывает практика, в России квантовые вычисления используются для решения задач индустрии.

Рис. 3. Квантовые вычисления для решения задач индустрии к 2024 г.

Недавно китайские ученые сделали прорыв, который даст толчок к созданию глобальной сети безопасной квантовой связи: создание и активное использование спутникового распределения квантовых ключей китайской исследовательской группой вокруг Цзянь Вэй-Пана. Это первый результат, который был создан в рамках масштабной программы квантовых технологий китайского правительства. Правительство Китая выделила на данный проект 10 миллиардов долларов.

Данный проект получил множество положительных отзывов со стороны Запада. Ученые из Европы назвали его «моментом спутника» квантовых технологий, поскольку был выявлено, что Китай ушел далеко вперед в изучении безопасной связи. Чуть позже Европа выдвинула идею проекта «квантового флагмана», который обойдется им в 1 млрд. евро с помощью «квантового манифеста». Президент США, Дональд Трамп, объявил, о начале работы над запуском проекта «Национальная квантовая инициатива», на которую из бюджета страны будет выделено 10 млрд. долларов. Если эти проекты успешно реализуются, то буквально через пару лет использование квантовой связи и других квантовых технологий станет повсеместным.

Заключение

Можно сделать вывод о том, что традиционная криптография перестанет активно использоваться в мире, когда квантовые компьютеры станут общедоступными, так как вычислительная мощность квантовых компьютеров в квадрат раз превосходит имеющиеся в наше время общедоступные компьютеры. Это можно объяснить тем фактом, что квантовые считают информацию в кубитах, а классические – в битах.

Проанализировав всю вышеперечисленные данные, хочется выделить тот факт, что на сегодняшний день больше всего перспектив в развитии имеется у квантовых алгоритмов криптографии. Эти алгоритмы делают невозможным нелегальный доступ в сеть передачи данных, который может произойти при использовании алгоритмов, имеющихся на данный момент, а также усовершенствовать системы ECDSA благодаря использованию дополнительной сложности дешифровки (созданной путем поиска и применения новых эллиптических кривых больших порядков).

Автор

Красочкин С.Г., руководитель отдела разработки интеграций, Компания «Хpate», г. Москва

Для цитирования: Красочкин С.Г. Квантовые компьютеры как новая эра в сфере криптографии // Russian Economic Bulletin. 2023. Том 6. № 4. С. 330 – 336.

Литература

1. Букашкин С.А., Черепнев М.А. Квантовые устройства в криптографии // International Journal of Open Information Technologies. Т. 11. № 1. 2023. С. 104 – 108.
2. Кабарухин А.П. Перспективы использования квантовых компьютеров // Наука и образование сегодня. 2022. № 1 (70). С. 31 – 37.
3. Борисевич М.Н. О квантовом компьютере и квантовой медицине // Вестник Витебского государственного медицинского университета. 2021. Т. 20. № 2. С. 18 – 24.
4. Попова И.Г., Грицай И.П., Скворцова Н.С. Перспективы создания квантовых компьютеров // Молодой исследователь Дона. 2019. № 6 (21). С. 86 – 88.
5. Завтонова А.В., Сибирякова А.И. Перспективы квантовых компьютеров: от истоков к настоящему состоянию // Скиф. Вопросы студенческой науки. 2022. № 4 (68). С. 302 – 306.
6. Официальный сайт Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: https://digital.gov.ru/ru/events/40910/ (дата обращения: 20.01.2023)
7. Susan Decker, Christopher Yasiejko, Forget the Trade War. China Wants to Win the Computing Arms Race. Bloomberg, apr 09, 2018 [Electronic resource]. Mode of access: https://www.industryweek.com/technology-and-iiot/article/22025445/forget-the-trade-war-china-wants-to-win-the-computing-arms-race (дата обращения: 20.01.2023)
8. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Синхронизация системы квантового распределения ключа в режиме однофотонной регистрации импульсов для повышения защищенности // Радиотехника. 2015. № 2. C. 125 – 134.
9. Масленников О.В., Алиев Ф.К., Беспалов С.А. и др. Человек и системы искусственного интеллекта в военном деле // Военная мысль. 2021. № 6. С. 46 – 56.
10. Колесников П.О., Голубничий, А.А. К вопросу о квантовых компьютерах их развитии и современном состоянии // StudNet. 2022. Vol. 5. № 1. С. 754 – 762.
11. Алферов А.П., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Основы криптографии: учебное пособие. Москва: Гелиос АРВ, 2001. 479 с.
12. Бунин О. Занимательное шифрование [Электронный ресурс]: журнал / отдел «Мир ПК». Электрон. дан. 2003. Режим доступа: https://www.osp.ru/pcworld/2003/07/166048
13. Долгочуб Е.А., Поликанин А.Н. Технологии квантовой криптографии // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2021. № 6. С. 78 – 83.
14. Коробченко Е.В. Квантовый компьютер: основные понятия, класс решаемых задач, перспективы развития // Экономическая безопасность и качество. 2018. № 3 (32). С. 48 – 51.