Добро пожаловать обратно, мои начинающие кибервоины!
Десятилетиями люди с замиранием сердца говорили о квантовых вычислениях и их потенциале произвести революцию в вычислительной технике. Пока что никаких коммерческих продуктов не появилось. Это похоже (знаю, двойное отрицание) на то, что произошло с искусственным интеллектом. Десятилетиями люди говорили о перспективах ИИ, а потом он внезапно стал реальностью и стал доступен повсюду.
Квантовые вычисления ещё не появились, но уже совсем скоро. Возможно, до появления гибридных машин на базе CPU/GPU/QBit осталось три года. Этого времени не хватит, чтобы подготовиться к революции, которую они произведут в кибербезопасности.
В этой статье я хочу помочь вам лучше понять, что такое квантовые вычисления и как они изменят нашу любимую дисциплину — кибербезопасность. Если вас это заинтересует, то с 21 по 23 октября у нас пройдёт курс по криптографии среднего уровня. В рамках этого курса мы более подробно рассмотрим квантовые вычисления и постквантовую криптографию (PQC).
Это революция, которую вы не захотите пропустить!
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — это передовая область компьютерной науки, которая использует принципы квантовой механики , такие как суперпозиция, запутанность и интерференция, для обработки информации способами, которые принципиально отличаются от способов, используемых классическими компьютерами .
Что такое квантовая механика?
Квантовая механика — фундаментальный раздел физики, описывающий поведение материи и энергии в очень малых масштабах — обычно в атомах и субатомных частицах. Она объясняет явления, которые классическая физика объяснить не может, вводя такие принципы, как корпускулярно-волновой дуализм, суперпозиция и принцип неопределённости.
Суперпозиция : квантовая система может существовать в нескольких состояниях одновременно до момента измерения, после чего она коллапсирует в определенное состояние .
Принцип неопределенности : невозможно точно знать одновременно положение и импульс частицы (принцип неопределенности Гейзенберга).
Квантование : Физические свойства, такие как энергия, импульс и момент импульса, могут принимать только дискретные значения в квантовых системах.
Вероятность и измерение : квантовая механика дает вероятности результатов , а не определенности, — она учитывает только то, что, скорее всего, будет измерено.В этом состоит фундаментальное различие квантовой механики и серьезная проблема внедрения квантовых вычислений в коммерческое и практическое применение.
Суперпозиция : принцип, при котором кубит может одновременно принимать значения 0 и 1. Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать гораздо большие вычислительные объёмы, чем классические биты.
Запутанность : явление, при котором кубиты становятся связанными таким образом, что состояние одного из них мгновенно влияет на состояние другого, независимо от их расстояния друг от друга. Это свойство повышает производительность квантовых вычислений для некоторых вычислений.
Интерференция : квантовые алгоритмы предназначены для увеличения вероятности правильных ответов и уменьшения вероятности неправильных ответов с помощью интерференционных картин.
К проблемам относятся стабильность кубитов (декогеренция), частота ошибок и масштабирование до большого количества кубитов для практического использования. Несмотря на эти трудности, лидеры отрасли, такие как Дженсен Хуанг из Nvidia, разрабатывают гибридные системы, объединяющие центральные процессоры, графические процессоры и кубиты. Скорее всего, это будут первые коммерческие системы, и их появление ожидается всего через три года.
[th]Классический компьютер[/th][th]Квантовый компьютер[/th]
[td]Бит (0 или 1)[/td][td]Кубит (0, 1, оба через суперпозицию)[/td]
[td]Детерминированный[/td][td]Вероятностный[/td]
[td]Линейное масштабирование[/td][td]Экспоненциальное масштабирование с кубитами[/td]
[td]Ограничено классической физикой[/td][td]Использует квантовую механику[/td]Квантовые вычисления представляют собой революционный подход к задачам, которые остаются слишком сложными для самых мощных современных классических систем, включая асимметричную криптографию (RSA, ECC).
Угроза «Соберите сейчас, расшифруйте позже»: злоумышленники могут собирать зашифрованные данные сегодня, намереваясь расшифровать их в будущем, когда квантовые вычислительные мощности станут доступны.
Уязвимая инфраструктура: отрасли, использующие традиционные методы шифрования, такие как банковское дело, здравоохранение и государственное управление, находятся под особой угрозой, поскольку утечки данных могут привести к масштабному нормативному, финансовому и репутационному ущербу.
Усовершенствованное вредоносное ПО и атаки: квантовые вычисления также могут сделать возможным создание более сложного вредоносного ПО, атак на основе искусственного интеллекта и быстрого обнаружения уязвимостей, что позволит еще больше обойти существующие системы обнаружения.
Постквантовая криптография
Постквантовая криптография (ПКК) — это область, занимающаяся разработкой и стандартизацией криптографических алгоритмов, устойчивых к атакам как со стороны классических компьютеров, так и со стороны будущих квантовых компьютеров. Её цель — защитить данные и сообщения от расшифровки мощными квантовыми машинами, способными взломать широко распространённые сегодня алгоритмы шифрования с открытым ключом, такие как RSA и алгоритмы на эллиптических кривых.
Внедрение постквантовой криптографии потребует замены современного оборудования и программного обеспечения новой IT-инфраструктурой. Те, кто этого не сделает, потеряют возможность пользоваться преимуществами конфиденциальности и приватности. Пока эта новая инфраструктура не будет развернута, первопроходцы, получившие доступ к квантовым системам, смогут взломать криптографию любого пользователя.
Краткое содержание
Квантовые вычисления радикально изменят ландшафт угроз, подорвав безопасность существующих систем. Как только государственные структуры США, России, Китая и Израиля получат в своё распоряжение эти системы, никакая информация не будет в безопасности. Помните, что для обмена ключами между взаимодействующими системами обычно используется асимметричное шифрование. Если обмен ключами можно перехватить, ничто не защищено!
Десятилетиями люди с замиранием сердца говорили о квантовых вычислениях и их потенциале произвести революцию в вычислительной технике. Пока что никаких коммерческих продуктов не появилось. Это похоже (знаю, двойное отрицание) на то, что произошло с искусственным интеллектом. Десятилетиями люди говорили о перспективах ИИ, а потом он внезапно стал реальностью и стал доступен повсюду.
Квантовые вычисления ещё не появились, но уже совсем скоро. Возможно, до появления гибридных машин на базе CPU/GPU/QBit осталось три года. Этого времени не хватит, чтобы подготовиться к революции, которую они произведут в кибербезопасности.
В этой статье я хочу помочь вам лучше понять, что такое квантовые вычисления и как они изменят нашу любимую дисциплину — кибербезопасность. Если вас это заинтересует, то с 21 по 23 октября у нас пройдёт курс по криптографии среднего уровня. В рамках этого курса мы более подробно рассмотрим квантовые вычисления и постквантовую криптографию (PQC).
Это революция, которую вы не захотите пропустить!
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — это передовая область компьютерной науки, которая использует принципы квантовой механики , такие как суперпозиция, запутанность и интерференция, для обработки информации способами, которые принципиально отличаются от способов, используемых классическими компьютерами .
Что такое квантовая механика?
Квантовая механика — фундаментальный раздел физики, описывающий поведение материи и энергии в очень малых масштабах — обычно в атомах и субатомных частицах. Она объясняет явления, которые классическая физика объяснить не может, вводя такие принципы, как корпускулярно-волновой дуализм, суперпозиция и принцип неопределённости.
Основные принципы квантовой механики
Корпускулярно-волновой дуализм : квантовые сущности, такие как электроны и фотоны, проявляют как корпускулярные, так и волновые характеристики, в зависимости от того, как они измеряются.Суперпозиция : квантовая система может существовать в нескольких состояниях одновременно до момента измерения, после чего она коллапсирует в определенное состояние .
Принцип неопределенности : невозможно точно знать одновременно положение и импульс частицы (принцип неопределенности Гейзенберга).
Квантование : Физические свойства, такие как энергия, импульс и момент импульса, могут принимать только дискретные значения в квантовых системах.
Вероятность и измерение : квантовая механика дает вероятности результатов , а не определенности, — она учитывает только то, что, скорее всего, будет измерено.В этом состоит фундаментальное различие квантовой механики и серьезная проблема внедрения квантовых вычислений в коммерческое и практическое применение.
Ключевые концепции квантовых вычислений
Кубит : квантовый аналог классического бита. В отличие от классического бита, который всегда детерминирован (равен либо 0, либо 1), кубит может существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно, что позволяет квантовым компьютерам обрабатывать множество вариантов одновременно.
Суперпозиция : принцип, при котором кубит может одновременно принимать значения 0 и 1. Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать гораздо большие вычислительные объёмы, чем классические биты.
Запутанность : явление, при котором кубиты становятся связанными таким образом, что состояние одного из них мгновенно влияет на состояние другого, независимо от их расстояния друг от друга. Это свойство повышает производительность квантовых вычислений для некоторых вычислений.
Интерференция : квантовые алгоритмы предназначены для увеличения вероятности правильных ответов и уменьшения вероятности неправильных ответов с помощью интерференционных картин.
Почему квантовые вычисления важны?
Квантовые компьютеры способны решать сложные задачи гораздо быстрее классических, например, разложение больших чисел на множители (важно в криптографии), моделирование молекул для разработки лекарств и оптимизацию больших наборов данных. Именно способность быстро решать задачи разложения очень больших чисел представляет наибольший интерес для нас в кибербезопасности. Асимметричное шифрование зависит от неспособности современных традиционных компьютеров быстро выполнять эти вычисления. Квантовые компьютеры обладают этой способностью, и алгоритмы асимметричного шифрования, такие как RSA, легко взламываются квантовыми компьютерами с помощью алгоритма Шора.
Ограничения и современное состояние
Большинство современных квантовых компьютеров находятся в экспериментальном состоянии и лучше всего подходят для конкретных исследований или узкоспециализированных приложений, но практическое применение уже не за горами. Компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, такие как IONQ, подписали контракты с Министерством обороны США и ВВС США на предоставление услуг в области квантовых вычислений. Это означает, что спонсируемые государством компании, вероятно, получат доступ к квантовым вычислениям задолго до того, как это станет доступно всем остальным.К проблемам относятся стабильность кубитов (декогеренция), частота ошибок и масштабирование до большого количества кубитов для практического использования. Несмотря на эти трудности, лидеры отрасли, такие как Дженсен Хуанг из Nvidia, разрабатывают гибридные системы, объединяющие центральные процессоры, графические процессоры и кубиты. Скорее всего, это будут первые коммерческие системы, и их появление ожидается всего через три года.
Сводная таблица
Как квантовые вычисления угрожают кибербезопасности
Взлом современного шифрования: благодаря алгоритмам, подобным алгоритму Шора, квантовые компьютеры смогут разлагать большие числа и решать математические задачи, лежащие в основе широко используемых методов шифрования, таких как RSA и ECC, с беспрецедентной скоростью . Это означает, что защищённые соединения (HTTPS, VPN, цифровые подписи) и значительная часть зашифрованных данных в мире могут быть расшифрованы квантовыми злоумышленниками, что позволит раскрыть конфиденциальную информацию, финансовые транзакции, личные сообщения и критически важную инфраструктуру.Угроза «Соберите сейчас, расшифруйте позже»: злоумышленники могут собирать зашифрованные данные сегодня, намереваясь расшифровать их в будущем, когда квантовые вычислительные мощности станут доступны.
Уязвимая инфраструктура: отрасли, использующие традиционные методы шифрования, такие как банковское дело, здравоохранение и государственное управление, находятся под особой угрозой, поскольку утечки данных могут привести к масштабному нормативному, финансовому и репутационному ущербу.
Усовершенствованное вредоносное ПО и атаки: квантовые вычисления также могут сделать возможным создание более сложного вредоносного ПО, атак на основе искусственного интеллекта и быстрого обнаружения уязвимостей, что позволит еще больше обойти существующие системы обнаружения.
Постквантовая криптография
Постквантовая криптография (ПКК) — это область, занимающаяся разработкой и стандартизацией криптографических алгоритмов, устойчивых к атакам как со стороны классических компьютеров, так и со стороны будущих квантовых компьютеров. Её цель — защитить данные и сообщения от расшифровки мощными квантовыми машинами, способными взломать широко распространённые сегодня алгоритмы шифрования с открытым ключом, такие как RSA и алгоритмы на эллиптических кривых.
Внедрение постквантовой криптографии потребует замены современного оборудования и программного обеспечения новой IT-инфраструктурой. Те, кто этого не сделает, потеряют возможность пользоваться преимуществами конфиденциальности и приватности. Пока эта новая инфраструктура не будет развернута, первопроходцы, получившие доступ к квантовым системам, смогут взломать криптографию любого пользователя.
Краткое содержание
Квантовые вычисления радикально изменят ландшафт угроз, подорвав безопасность существующих систем. Как только государственные структуры США, России, Китая и Израиля получат в своё распоряжение эти системы, никакая информация не будет в безопасности. Помните, что для обмена ключами между взаимодействующими системами обычно используется асимметричное шифрование. Если обмен ключами можно перехватить, ничто не защищено!
