211service.com
Forklarer: Hva er postkvantekryptografi?
Ms. Tech
Dette er den tredje i en serie med forklaringer om kvanteteknologi. De to andre dekker kvanteberegning og kvantekommunikasjon.
De færreste av oss tenker mye på det lille hengelåssymbolet som vises i nettleserne våre hver gang vi bruker en e-handelsside, sender og mottar e-poster eller sjekker bank- eller kredittkortkontoene våre. Men det er et signal om at nettjenestene bruker HTTPS, en nettprotokoll som krypterer dataene vi sender over internett og svarene vi mottar. Denne og andre former for kryptering beskytter alle typer elektronisk kommunikasjon, i tillegg til ting som passord, digitale signaturer og helsejournaler.
Kvantedatamaskiner kan undergrave disse kryptografiske forsvarene. Maskinene er ikke kraftige nok til å gjøre dette i dag, men de utvikler seg raskt. Det er mulig at disse maskinene om litt mer enn et tiår – og kanskje enda tidligere – kan være en trussel mot mye brukte kryptografimetoder. Det er derfor forskere og sikkerhetsfirmaer kappløper for å utvikle nye tilnærminger til kryptografi som vil være i stand til å motstå fremtidige kvanteangrep montert av hackere.
Hvordan fungerer digital kryptering?
Det er to hovedtyper av kryptering. Symmetrisk kryptering krever at en avsender og en mottaker har identiske digitale nøkler for å kryptere og dekryptere data, mens asymmetrisk - eller offentlig nøkkel - kryptering bruker en offentlig tilgjengelig nøkkel for å la folk kryptere meldinger for en mottaker som er den eneste innehaveren av den private nøkkelen trengte å dekryptere dem.
Noen ganger brukes disse to tilnærmingene sammen. Når det gjelder HTTPS, for eksempel, bruker nettlesere kryptografi med offentlig nøkkel for å sjekke nettsteders gyldighet og deretter etablere en symmetrisk nøkkel for å kryptere kommunikasjon.
Målet er å stoppe hackere fra å bruke enorme mengder datakraft for å prøve å gjette nøklene som brukes. For å gjøre dette bruker populære kryptografimetoder, inkludert en kjent som RSA og en annen kalt elliptisk kurvekryptografi, vanligvis såkalte falldørfunksjoner - matematiske konstruksjoner som er relativt enkle å beregne i én retning for å lage nøkler, men som er veldig vanskelige for en motstander. å reversere.
Hackere kan prøve å knekke en kode ved å prøve alle mulige varianter av en nøkkel til en fungerer. Men forsvarere gjør livet veldig vanskelig for dem ved å bruke veldig lange nøkkelpar – som RSA 2048-biters implementering, som gjengir en nøkkel som er 617 desimalsiffer lang. Å kjøre gjennom alle mulige permutasjoner for å utlede de private nøklene kan ta mange tusen – om ikke millioner – av år på konvensjonelle datamaskiner.
Hvorfor er kvantedatamaskiner en trussel mot kryptering?
Fordi de kunne hjelpe hackere å jobbe seg tilbake gjennom algoritmiske falldører mye raskere. I motsetning til klassiske datamaskiner, som bruker biter som kan være enten en s eller 0 s, kvantemaskiner bruker qubits som kan representere en rekke mulige tilstander av en og 0 på samme tid - et fenomen kjent som superposisjon . De kan også påvirke hverandre på avstand, takket være et fenomen kjent som entanglement .
Takket være disse fenomenene kan det å legge til noen få ekstra qubits føre til eksponentielle sprang i prosessorkraft. En kvantemaskin med 300 qubits kan representere flere verdier enn det er atomer i det observerbare universet. Forutsatt at kvantedatamaskiner kan overvinne noen iboende begrensninger for ytelsen, kan de til slutt bli brukt til å teste alle mulige permutasjoner av en kryptografisk nøkkel på relativt kort tid.
Hackere vil sannsynligvis også utnytte kvantealgoritmer som optimerer visse oppgaver. En slik algoritme, utgitt av Lov Grover fra AT&Ts Bell Labs i 1996, hjelper kvantedatamaskiner med å søke etter mulige permutasjoner mye raskere. En annen, utgitt i 1994 av Peter Shor, som da var ved Bell Labs og nå er MIT-professor, hjelper kvantemaskiner med å finne de viktigste faktorene til heltall utrolig raskt.
Shors algoritme utgjør en risiko for krypteringssystemer med offentlig nøkkel som RSA, hvis matematiske forsvar delvis er avhengig av hvor vanskelig det er å reversere resultatet av å multiplisere veldig store primtall sammen. En rapport om kvanteberegning publisert i fjor av US National Academies of Sciences, Engineering and Medicine spådde at en kraftig kvantedatamaskin som kjører Shors algoritme ville være i stand til å knekke en 1024-bits implementering av RSA på mindre enn en dag.
Vil kvantedatamaskiner bryte kryptografisk forsvar snart?
Det er høyst usannsynlig. National Academies-studien sier at for å utgjøre en reell trussel, vil kvantemaskiner trenge langt mer prosessorkraft enn dagens beste kvantemaskiner har oppnådd.
Likevel, det noen sikkerhetsforskere liker å kalle Y2Q – året hvor kvantekode-cracking blir en stor hodepine – kan komme overraskende raskt oppover. I 2015 konkluderte forskere med at en kvantedatamaskin ville trenge en milliard qubits for å kunne knekke 2048-bits RSA-systemet ganske komfortabelt; nyere arbeid tyder på at en datamaskin med 20 millioner qubits kan gjøre jobben på bare åtte timer.
Det er fortsatt langt utover mulighetene til dagens kraftigste kvantemaskin, med 128 qubits (se vår qubit-teller her ). Men fremskritt innen kvanteberegning er uforutsigbare. Uten kvantesikkert kryptografisk forsvar på plass, kan alle slags ting, fra autonome kjøretøy til militær maskinvare – for ikke å nevne online finansielle transaksjoner og kommunikasjon – bli målrettet av hackere med tilgang til kvantedatamaskiner.
Enhver virksomhet eller regjering som planlegger å lagre data i flere tiår, bør nå tenke på risikoen teknologien utgjør, fordi krypteringen de bruker for å beskytte den senere kan bli kompromittert. Det kan ta mange år å gå tilbake og omkode fjell med historiske data med mer robuste forsvar, så det ville være bedre å bruke disse nå. Derfor et stort fremstøt for å utvikle post-kvantekryptografi.
Hva er postkvantekryptografi?
Det er utviklingen av nye typer kryptografiske tilnærminger som kan implementeres ved hjelp av dagens klassiske datamaskiner, men som vil være ugjennomtrengelige for angrep fra morgendagens kvante.
En forsvarslinje er å øke størrelsen på digitale nøkler slik at antallet permutasjoner som må søkes ved hjelp av brute datakraft øker betydelig. For eksempel, bare det å doble størrelsen på en nøkkel fra 128 biter til 256 biter kvadrerer effektivt antall mulige permutasjoner som en kvantemaskin som bruker Grovers algoritme må søke gjennom.
En annen tilnærming innebærer å komme opp med mer komplekse falllukefunksjoner som selv en veldig kraftig kvantemaskin som kjører en algoritme som Shors ville slite med å knekke. Forskere jobber med et bredt spekter av tilnærminger, inkludert eksotisk-klingende som gitterbasert kryptografi og supersingular isogeny-nøkkelutveksling.
Målet er å nullstille en eller noen få metoder som kan brukes bredt. US National Institute of Standards and Technology lanserte en prosess i 2016 for å utvikle standarder for post-kvantekryptering for offentlig bruk. Det er allerede begrenset et innledende sett med 69 forslag til 26 , men sier at det sannsynligvis vil være rundt 2022 før utkast til standarder begynner å dukke opp.
Presset er på fordi krypteringsteknologier er dypt innebygd i mange forskjellige systemer, så å nøste opp dem og implementere nye kan ta mye tid. Fjorårets National Academies-studie bemerket at det tok mer enn et tiår å fullstendig pensjonere en utbredt kryptografisk tilnærming som viste seg å være feil. Gitt hastigheten som kvantedatabehandling utvikler seg med, har verden kanskje ikke så mye tid til å takle denne nye sikkerhetstrusselen.