Forklarer: Hvad er post-kvantekryptografi?

Ms. Tech

Dette er den tredje i rækken af ​​forklaringer om kvanteteknologi. De to andre dækker kvanteberegning og kvantekommunikation.

De færreste af os tænker meget over det lille hængelåssymbol, der vises i vores webbrowsere, hver gang vi bruger en e-handelsside, sender og modtager e-mails eller tjekker vores bank- eller kreditkortkonti. Men det er et signal om, at onlinetjenesterne bruger HTTPS, en webprotokol, der krypterer de data, vi sender over internettet, og de svar, vi modtager. Denne og andre former for kryptering beskytter alle former for elektronisk kommunikation, såvel som ting som adgangskoder, digitale signaturer og sundhedsjournaler.

Kvantecomputere kunne underminere disse kryptografiske forsvar. Maskinerne er ikke stærke nok til at gøre dette i dag, men de udvikler sig hurtigt. Det er muligt, at disse maskiner om lidt mere end et årti - og måske endda før - kan være en trussel mod udbredte kryptografimetoder. Det er derfor, forskere og sikkerhedsfirmaer ræser om at udvikle nye tilgange til kryptografi, der vil være i stand til at modstå fremtidige kvanteangreb monteret af hackere.

Hvordan fungerer digital kryptering?

Der er to hovedtyper af kryptering. Symmetrisk kryptering kræver, at en afsender og en modtager har identiske digitale nøgler til at kryptere og dekryptere data, hvorimod asymmetrisk - eller offentlig nøgle - kryptering bruger en offentligt tilgængelig nøgle til at lade folk kryptere beskeder for en modtager, der er den eneste indehaver af den private nøgle nødvendige for at afkode dem.

Nogle gange bruges disse to tilgange sammen. I tilfælde af HTTPS bruger webbrowsere f.eks. offentlig nøglekryptering til at kontrollere websteders gyldighed og etablerer derefter en symmetrisk nøgle til at kryptere kommunikation.

Målet er at forhindre hackere i at bruge enorme mængder computerkraft til at forsøge at gætte de nøgler, der bruges. For at gøre dette bruger populære kryptografimetoder, herunder en kendt som RSA og en anden kaldet elliptisk kurvekryptografi, typisk såkaldte falddørsfunktioner - matematiske konstruktioner, der er relativt nemme at beregne i én retning for at skabe nøgler, men som er meget svære for en modstander. at reverse-engine.

Hackere kan prøve at bryde en kode ved at prøve alle mulige varianter af en nøgle, indtil en virker. Men forsvarere gør livet virkelig svært for dem ved at bruge meget lange nøglepar - som RSA 2.048-bit implementeringen, som gengiver en nøgle, der er 617 decimalcifre lang. At køre gennem alle mulige permutationer for at udlede de private nøgler kan tage mange tusinde – hvis ikke millioner – af år på konventionelle computere.

Hvorfor er kvantecomputere en trussel mod kryptering?

Fordi de kunne hjælpe hackere med at arbejde sig tilbage gennem algoritmiske falddøre meget hurtigere. I modsætning til klassiske computere, som bruger bits, der kan være enten en s eller 0 s, kvantemaskiner bruger qubits, der kan repræsentere adskillige mulige tilstande af en og 0 på samme tid - et fænomen kendt som superposition . De kan også påvirke hinanden på afstand, takket være et fænomen kendt som entanglement.

Takket være disse fænomener kan tilføjelse af nogle få ekstra qubits føre til eksponentielle spring i processorkraft. En kvantemaskine med 300 qubits kunne repræsentere flere værdier, end der er atomer i det observerbare univers. Forudsat at kvantecomputere kan overvinde nogle iboende begrænsninger for deres ydeevne, kan de i sidste ende bruges til at teste alle mulige permutationer af en kryptografisk nøgle på relativt kort tid.

Hackere vil sandsynligvis også udnytte kvantealgoritmer, der optimerer visse opgaver. En sådan algoritme, udgivet af Lov Grover fra AT&T's Bell Labs i 1996, hjælper kvantecomputere med at søge mulige permutationer meget hurtigere. En anden, udgivet i 1994 af Peter Shor, som dengang var på Bell Labs og nu er MIT-professor, hjælper kvantemaskiner med at finde de primære faktorer for heltal utroligt hurtigt.

Shors algoritme udgør en risiko for krypteringssystemer med offentlige nøgler såsom RSA, hvis matematiske forsvar delvist er afhængige af, hvor svært det er at omdanne resultatet af at multiplicere meget store primtal sammen. En rapport om kvanteberegning offentliggjort sidste år af US National Academies of Sciences, Engineering and Medicine forudsagde, at en kraftfuld kvantecomputer, der kører Shors algoritme, ville være i stand til at knække en 1.024-bit implementering af RSA på mindre end en dag.

Vil kvantecomputere snart bryde kryptografisk forsvar?

Det er højst usandsynligt. National Academies undersøgelse siger, at for at udgøre en reel trussel vil kvantemaskiner have brug for langt mere processorkraft, end nutidens bedste kvantemaskiner har opnået.

Alligevel kan det, som nogle sikkerhedsforskere kan lide at kalde Y2Q - året, hvor kvantekodeknækning bliver en stor hovedpine - snige sig overraskende hurtigt op. I 2015 konkluderede forskere, at en kvantecomputer ville have brug for en milliard qubits for at kunne knække 2.048-bit RSA-systemet ret komfortabelt; nyere arbejde tyder på, at en computer med 20 millioner qubits kunne klare opgaven på kun otte timer.

Det er stadig langt ud over mulighederne for nutidens mest kraftfulde kvantemaskine med 128 qubits (se vores qubit-tæller her ). Men fremskridt inden for kvanteberegning er uforudsigelige. Uden kvantesikkert kryptografisk forsvar på plads, kunne alle slags ting, fra autonome køretøjer til militær hardware – for ikke at nævne online finansielle transaktioner og kommunikation – blive målrettet af hackere med adgang til kvantecomputere.

Enhver virksomhed eller regering, der planlægger at gemme data i årtier, bør nu tænke over de risici, teknologien udgør, fordi den kryptering, de bruger til at beskytte dem, senere kan blive kompromitteret. Det kan tage mange år at gå tilbage og omkode bjerge af historiske data med mere robuste forsvar, så det ville være bedre at anvende disse nu. Derfor et stort skub for at udvikle post-kvantekryptografi.

Hvad er post-kvantekryptografi?

Det er udviklingen af ​​nye former for kryptografiske tilgange, der kan implementeres ved hjælp af nutidens klassiske computere, men vil være uimodtagelige for angreb fra morgendagens kvante.

En forsvarslinje er at øge størrelsen af ​​digitale nøgler, så antallet af permutationer, der skal søges ved hjælp af brute computerkraft, stiger markant. For eksempel, bare en fordobling af størrelsen af ​​en nøgle fra 128 bit til 256 bit kvadrerer effektivt antallet af mulige permutationer, som en kvantemaskine, der bruger Grovers algoritme, skal søge igennem.

En anden tilgang involverer at komme med mere komplekse faldlemsfunktioner, som selv en meget kraftfuld kvantemaskine, der kører en algoritme som Shors, ville kæmpe for at knække. Forskere arbejder på en bred vifte af tilgange, herunder eksotisk-klingende dem som gitter-baseret kryptografi og supersingular isogeny nøgleudveksling.

Målet er at nulstille en eller nogle få metoder, der kan anvendes bredt. US National Institute of Standards and Technology lancerede en proces i 2016 for at udvikle standarder for post-kvantekryptering til regeringsbrug. Det er det allerede indsnævret et indledende sæt af 69 forslag til 26 , men siger, at det sandsynligvis vil være omkring 2022, før udkast til standarder begynder at dukke op.

Presset er på, fordi krypteringsteknologier er dybt indlejret i mange forskellige systemer, så det kan tage meget tid at optrevle dem og implementere nye. Sidste års undersøgelse fra National Academies bemærkede, at det tog mere end et årti helt at trække sig tilbage fra en udbredt kryptografisk tilgang, som viste sig at være mangelfuld. I betragtning af den hastighed, hvormed kvantecomputere udvikler sig, har verden måske ikke så meget tid til at tackle denne nye sikkerhedstrussel.

skjule