Что такое постквантовая криптография? Всё, что вам нужно знать об этой надвигающейся угрозе

Каждый раз, когда вы покупаете онлайн с кредитной картой, устанавливаете обновление на телефон или отправляете конфиденциальный файл коллеге, протоколы интернет-безопасности помогают сохранить ваши данные в безопасности. Эти системы шифрования ежедневно защищают миллиарды транзакций и коммуникаций, используя алгоритмы, слишком сложные для обычных компьютеров. Даже хакеру с самым мощным суперкомпьютером потребуется миллионы лет, чтобы попасть на нужный ключ доступа.

Но с новым устройством под названием квантовый компьютер они могли бы взломать код за несколько часов. Хотя эти машины могут помочь учёным открывать мощные лекарства или создавать высокоэффективные аккумуляторы, они также могут позволить преступным синдикатам или государственным хакерам разрушить фундамент цифровой безопасности.

Хотя квантовые компьютеры не представляют непосредственной опасности, угроза реальна — и растёт. Разумно подготовиться сейчас, а не паниковать позже.

Квантовые компьютеры — это новый тип технологии, использующая принципы квантовой физики для решения задач, которые сегодня компьютерам крайне сложно — или даже невозможно решить. Как и традиционные компьютеры, они хранят информацию с помощью битов, которые обычно представлены как 0 и 1.

В обычном компьютере эти биты создаются с помощью электрических сигналов, которые либо включены, либо выключены. Однако квантовые компьютеры используют крошечные частицы, называемые кубитами. Благодаря квантовому свойству, называемому суперпозицией, кубиты могут одновременно находиться в смеси 0 и 1. Это позволяет квантовым компьютерам исследовать множество возможных решений одновременно, а не по одному.

Квантовые вычисления мощны, потому что работают совершенно иначе, чем обычные компьютеры. Кубиты могут одновременно представлять несколько вариантов, что означает, что квантовый компьютер может одновременно обрабатывать огромное количество потенциальных решений.

Это приводит к экспоненциальному росту вычислительной мощности: каждый новый кубит удваивает количество состояний, которые компьютер может обрабатывать. Например, два кубита могут обозначать четыре комбинации, три кубита — восемь, а 50 кубитов — более чем квадриллион комбинаций. Это делает квантовые компьютеры особенно перспективными для таких задач, как моделирование молекул, взлом шифрования или решение сложных задач оптимизации.

Опасность квантовых вычислений заключается в том, что они могут взломать системы шифрования, защищающие наш цифровой мир, включая онлайн-банкинг, электронную почту и защищенные веб-сайты. Конфиденциальная информация будет раскрыта, финансовые системы скомпрометированы, а цифровая основа целых отраслей подорвана.

Шифрование работает путём преобразования конфиденциальной информации в формат, непонятный никому, у кого нет ключа — код для перемешивания и расшифровки данных. Многие современные алгоритмы шифрования опираются на односторонние функции, которые гораздо проще вычислить в одном направлении, чем в обратном. Например, компьютеры могут умножить два 40-значных простых числа за долю секунды, но для определения множителей из результата потребуется огромное количество догадок. Эта сложность лежит в основе цифровой безопасности: как только эти алгоритмы шифруют строки чисел, которые компьютеры используют для представления информации, обратная операция практически невозможно без ключа.

Однако, тестируя одновременно огромное количество возможных решений, квантовые компьютеры могли бы преодолеть этот математический барьер, особенно с помощью алгоритмов , которые делают этот процесс более эффективным (но все еще слишком трудоемким для классического компьютера). В то время как суперкомпьютеру могут потребоваться миллионы лет, чтобы взломать современную криптосистему, квантовый компьютер с 20 миллионами кубитов сможет сделать это за восемь часов.

Алгоритм Шора, разработанный Питером Шором в 1994 году, позволяет квантовому компьютеру разлагать большие числа на множители экспоненциально быстрее, чем классическим компьютерам, что нарушило бы математическую основу систем шифрования, таких как RSA, широко используемых в цифровой безопасности. 

По мнению экспертов, квантовые вычисления не будут представлять угрозу криптографии как минимум через 10–20 лет. Эти компьютеры сложно собирать и эксплуатировать. Современные модели содержат максимум 1000 кубитов, без чёткого способа масштабирования до числа, необходимых для взлома современных систем шифрования.

Однако, как и в случае с любой новой технологией, прорывы могут произойти в ближайшее время. Правительства и крупные предприятия поддерживают стремление к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров, и улучшения продолжают появляться. 

Квантовые вычисления сегодня не представляют угрозы, но злоумышленники могут использовать традиционные методы для сбора данных в ожидании появления мощного квантового компьютера. В стратегии под названием «собрать сейчас, расшифровать позже» (HNDL) злоумышленники могут уже воровать зашифрованную информацию для расшифровки, когда крупномасштабные квантовые компьютеры станут широко доступными.