Kvantna računala Kraj kriptografije?

Kvantno računanje jedna je od onih tehnologija koja je toliko skrivena da se TV znakovi ispuste kad žele zvučati pametno.

Kvantno računarstvo kao ideja postoji već neko vrijeme - teorijsku mogućnost izvorno su uveli Yuri Manin i Richard Feynman 1982. Međutim, u posljednjih nekoliko godina, polje je postalo zabrinjavajuće bliže praktičnosti..

Tvrtke poput Googlea i Microsofta, kao i vladine agencije poput NSA, već godinama grozničavo provode kvantna računala. Tvrtka pod nazivom D-Wave proizvela je i prodaje uređaje koji (iako nisu odgovarajuća računala i mogu izvoditi samo nekoliko algoritama) iskorištavaju kvantna svojstva i još su jedan korak dalje na putu ka cjelovitom Turingovom cjelini Što Turingov test i hoće li ga ikada pobijediti? Što je test Turinga i hoće li ga ikada pobijediti? Turingov test ima za cilj da odredi misle li strojevi. Je li program Eugene Goostman doista prošao Turingov test ili su ga autori jednostavno prevarili? kvantni stroj.

Ne čini se nerazumnim reći da bi moglo doći do proboja koji će omogućiti izgradnju velikog kvantnog računala u desetljeću.

Pa zašto svi interesi? Zašto bi se trebao brinuti? Računala postaju brža cijelo vrijeme Što je Mooreov zakon i kakve to veze ima s vama? [MakeUseOf objašnjava] Što je Mooreov zakon i kakve to veze ima s vama? [MakeUseOf objašnjava] Loša sreća nema nikakve veze s Mooreovim zakonom. Ako je to udruga koju ste imali, to miješate s Murphyjevim zakonom. Međutim, niste bili daleko jer Mooreov zakon i Murphyjev zakon ... - što je toliko posebno u kvantnim računalima?

Da bismo objasnili zašto su ovi strojevi toliko važni, morat ćemo napraviti korak unatrag i istražiti što su točno kvantna računala i zašto rade. Za početak, razgovarajmo o konceptu zvanom “vrijeme složenosti.”

Što je složenost vremena izvođenja?

Jedno od velikih iznenađenja u ranim danima informatike bilo je otkriće da, ako imate računalo koje riješi problem određene veličine za određeno vrijeme, udvostručenje brzine računala ne mora nužno dopustiti da rješava probleme dvostruko veće.

Neki se algoritmi povećavaju u ukupnom vremenu izvršavanja vrlo brzo, kako veličina problema raste - neki algoritmi mogu se brzo dovršiti s obzirom na 100 podataka, ali za dovršavanje algoritma s 1000 podatkovnih točaka potrebno je računalo veličine Zemlje koja radi za milijardi godina. Složenost izvođenja formalizacija je ove ideje: ona gleda krivulju brzine rasta složenosti problema i koristi oblik te krivulje za razvrstavanje algoritma.

Te su klase teškoće uglavnom izražene kao funkcije. Algoritam koji postaje proporcionalno teži kada se skup podataka radi na povećanju (poput jednostavne funkcije brojanja) kaže se da je funkcija sa složenošću izvođenja od “n” (kao u, potrebno je n jedinice vremena za obradu n podatkovne točke).

Alternativno, može se zvati “linearan”, jer kad je graficiraš, dobivaš ravnu crtu. Mogle bi biti i druge funkcije n ^ 2 ili 2 ^ n ili n! (n faktografski). To su polinom i eksponencijalnost. U posljednja dva slučaja eksponencijalni rastu toliko brzo da se gotovo u svim slučajevima ne mogu riješiti ništa osim vrlo trivijalnih primjera.

Složenost izvođenja i kriptografija

Ako ove stvari čujete prvi put, a zvuče besmisleno i suzdržano, pokušajmo utemeljiti ovu raspravu. Složenost izvođenja kritična je za kriptografiju, koja se oslanja na olakšavanje dešifriranja ljudima koji znaju tajni ključ nego onima koji to ne čine. U idealnoj kriptografskoj shemi dešifriranje bi trebalo biti linearno ako imate ključ i 2 ^ k (gdje je k broj bita u ključu) ako ne.

Drugim riječima, najbolji algoritam za dešifriranje poruke bez ključa trebao bi biti jednostavno nagađanje mogućih tipki, što je za ključeve neizrecivo samo nekoliko stotina bita.

Za simetričnu ključnu kriptografiju (u kojoj dvije strane imaju priliku sigurno razmijeniti tajnu prije nego što započnu komunikaciju) to je prilično jednostavno. Za asimetričnu kriptografiju je teže.

Asimetrična kriptografija u kojoj se ključevi za enkripciju i dešifriranje razlikuju i ne mogu se lako izračunati jedan od drugog, mnogo je teža matematička struktura koju je moguće implementirati od simetrične kriptografije, ali je i mnogo moćnija: asimetrična kriptovaluta omogućava privatne razgovore , čak i preko presječenih linija! Također vam omogućuje stvaranje “digitalni potpisi” kako biste mogli provjeriti od koga je poruka potekla i da je nije došlo do promjene.

Ovo su moćni alati i čine osnovu moderne privatnosti: bez asimetrične kriptografije korisnici elektroničkih uređaja ne bi imali pouzdanu zaštitu od znatiželjnih očiju.

Budući da je asimetričnu kriptografiju teže izraditi od simetrične, standardni načini šifriranja koji se danas koriste nisu tako snažni kao što bi mogli biti: najčešći standard šifriranja, RSA, može se probiti ako učinkovito možete pronaći glavne čimbenike veliki broj. Dobra vijest je da je to vrlo težak problem.

Najbolji poznati algoritam za razvrstavanje velikog broja u njihove sastavne baze naziva se sito s općim brojem polja i ima složenost izvođenja koja raste malo sporije od 2 ^ n. Kao posljedica toga, ključevi moraju biti desetak puta duži kako bi pružili sličnu sigurnost, što ljudi obično toleriraju kao troškove poslovanja. Loša vijest je da se cijeli igrački položaj mijenja kada kvantna računala budu bačena u miks.

Kvantna računala: Promjena kripto-igre

Kvantna računala djeluju jer mogu imati više unutrašnjih stanja istovremeno, kroz kvantni fenomen zvan “slaganje”. To znači da mogu istovremeno napadati različite dijelove problema i podijeliti se na moguće verzije svemira. Mogu se konfigurirati i tako da grane koje rješavaju problem zasipaju s najvećom amplitudom, tako da kad otvorite kutiju na Schrodingerovoj mački, inačica unutarnjeg stanja s kojom ćete najvjerojatnije biti izloženi krijumčarenju -pogled mačke koja drži dešifriranu poruku.

Dodatne informacije o kvantnim računalima potražite u našem nedavnom članku na temu Kako rade optička i kvantna računala? Kako djeluju optička i kvantna računala? Dolazi Exascale Age. Znate li kako djeluju optička i kvantna računala i hoće li ove nove tehnologije postati naša budućnost? !

Zaključak ovoga je da kvantna računala nisu samo linearno brža, način na koji su normalna računala: dobivanje dva ili deset ili stotinu puta brže ne pomaže mnogo kad je riječ o konvencionalnoj kriptografiji koja je stotine milijardi puta previše sporo za obradu. Kvantna računala podržavaju algoritme koji imaju sve veće složenosti izvođenja nego što je to inače moguće. To je ono što kvantna računala bitno razlikuje od ostalih budućih računalnih tehnologija, poput izračunavanja grafena i memristera. Najnovija računalna tehnologija koju morate vidjeti da biste vjerovali najnovijoj računalnoj tehnologiji koju morate vjerovati da biste provjerili neke od najnovijih postavljenih računalnih tehnologija transformirati svijet elektronike i osobnih računala tijekom sljedećih nekoliko godina. .

Za konkretni primjer, Shor-ov algoritam, koji se može izvesti samo na kvantnom računalu, može faktoriti velike brojeve u log (n) 3 ^ vrijeme, što je drastično bolje od najboljeg klasičnog napada. Upotrebom općeg sita s brojevima za faktore broj s 2048 bita potrebno je otprilike 10 ^ 41 jedinica vremena, što znači više od trilijuna bilijuna biliona. Koristeći se Shor-ovim algoritmom, isti problem oduzima samo oko 1000 jedinica vremena.

Učinak postaje izraženiji što su dulje tipke. To je snaga kvantnih računala.

Nemojte me krivo shvatiti - kvantna računala imaju puno potencijalnih ne-zlih namjena. Kvantna računala mogu učinkovito riješiti problem putničkog prodavača, omogućujući istraživačima izgradnju učinkovitijih brodskih mreža i dizajniranje boljih krugova. Kvantna računala već imaju snažne koristi u umjetnoj inteligenciji.

To bi moglo reći da će njihova uloga u kriptografiji biti katastrofalna. Tehnologije šifriranja koje našem svijetu omogućuju da funkcionira ovise o problemu cijele faktorizacije koji je teško riješiti. RSA i srodne sheme šifriranja ono su što vam omogućuje da vjerujete da ste na pravom web mjestu, da datoteke koje preuzmete nisu prepune zlonamjernog softvera i da ljudi ne špijuniraju vaše internetsko pregledavanje (ako koristite Tor).

Kriptografija čuva vaš bankovni račun i osigurava svjetsku nuklearnu infrastrukturu. Kad kvantna računala postanu praktična, sva ta tehnologija prestaje raditi. Prva organizacija koja je razvila kvantno računalo, ako svijet i dalje radi na tehnologijama koje danas koristimo, bit će u zastrašujuće moćnom položaju.

Dakle, je li kvantna apokalipsa neizbježna? Možemo li učiniti nešto u vezi s tim? Kako se ispostavilo ... da.

Postkvantna kriptografija

Postoji nekoliko klasa algoritama za šifriranje koje, koliko znamo, nisu značajno brže riješiti na kvantnom računalu. Oni su zajednički poznati kao postkvantna kriptografija i pružaju neku nadu da svijet može prijeći na kriptosustave koji će ostati siguran u svijetu kvantne enkripcije..

Obećavajući kandidati uključuju šifriranje zasnovano na rešetkama, poput Ring-Learning With Error, koje svoju sigurnost crpi iz demonstrativno složenog problema strojnog učenja, i multivarijantne kriptografije, koja svoju sigurnost crpi iz poteškoća rješavanja vrlo velikih sustava jednostavnih jednadžbi. O ovoj temi možete govoriti u članku Wikipedije. Pazite: puno je tih stvari složenih, a možda ćete otkriti da vaše matematičko podrijetlo mora znatno poboljšati pozadinu prije nego što se zaista možete pozabaviti detaljima.

Mnogo toga je činjenica da su post-kvantni kriptoskemi vrlo cool, ali i vrlo mladi. Potrebno im je više rada da bi bili učinkoviti i praktični, a također i da pokažu da su sigurni. Razlog zašto se možemo vjerovati kriptosistemima je taj što smo na njih dovoljno dugo bacali dovoljno klinički paranoičnih genija da bi se očigledni nedostaci do sada otkrili, a istraživači su dokazali razne karakteristike koje ih čine jakim.

Suvremena kriptografija ovisi o svjetlosti kao dezinficijensu, a većina postkvantnih kriptografskih shema jednostavno je previše nova da bi se svjetskoj sigurnosti moglo povjeriti. Dolaze, ipak, i uz malo sreće i malo pripreme, sigurnosni stručnjaci mogu dovršiti prijelaz prije nego što prvo kvantno računalo ikad dođe na red.

Ako ipak ne uspiju, posljedice mogu biti teške. Pomisao na svakoga tko ima takvu silu uznemiruje, čak i ako ste optimistični u njihovim namjerama. Pitanje tko prvi razvija radno kvantno računalo postavlja pitanje koje bi svi trebali pomno promatrati dok krećemo u sljedeće desetljeće.

Zabrinuti ste zbog nesigurnosti kriptografije na kvantnim računalima? Što uzimaš? Podijelite svoje misli u komentarima u nastavku!

Slikovni krediti: Binarna kugla putem Shutterstoka