Квантовые компьютеры с лёгкостью взломают существующие криптографические ключи, оставив критически важные данные доступными для киберпреступников. Чтобы противостоять этой угрозе, учёные и инженеры разрабатывают новые алгоритмы, которые будут невозможны для взлома даже самыми мощными квантовыми машинами.
Проблема Y2Q
Десятилетия назад Y2K символизировала страх, что компьютеры перестанут работать из-за перехода даты на новое тысячелетие, но эти опасения оказались преувеличенными. Теперь термин Y2Q, или "Q-день", описывает будущую дату, когда существующие криптографические алгоритмы станут уязвимыми для атак квантовых компьютеров. Эти компьютеры смогут легко взломать современные алгоритмы, которые защищают криптографические ключи, обеспечивающие доступ к большинству зашифрованных данных в интернете.
Современные публичные ключи создаются с помощью таких математических алгоритмов, как факторизация целых чисел, вычисление дискретных логарифмов или работа с эллиптическими кривыми. На взлом этих ключей даже самые мощные классические компьютеры потратили бы годы, что делает их нецелесообразными для хакеров. Однако для квантовых компьютеров завтрашнего дня такие атаки будут быстрыми и лёгкими.
Угроза квантовых компьютеров
Преимущество квантовых компьютеров заключается в использовании кубитов вместо битов (0 или 1), которые используются в цифровых машинах. Кубиты применяют квантовую механическую характеристику суперпозиции, позволяющую хранить информацию в нескольких состояниях одновременно. Это даёт квантовым компьютерам возможность решать гораздо более сложные задачи с невероятной скоростью.
Алгоритмы, способные взломать многие современные криптографические ключи, существуют уже более 30 лет. В 1994 году американский математик Питер Шор разработал алгоритм, который квантовый компьютер мог бы использовать для факторизации целых чисел, основы многих криптографических ключей. Но даже с этим алгоритмом современные квантовые компьютеры пока недостаточно мощны из-за накопления ошибок, которое можно устранить только значительно увеличив количество кубитов, что на данный момент недостижимо.
Однако значительные инвестиции в разработку квантовых компьютеров ускоряют их прогресс. По прогнозам Национального института стандартов и технологий США (NIST), к 2029 году квантовые компьютеры смогут взломать такие ключи, как 128-битное AES-шифрование, широко используемое для защиты конфиденциальной информации в интернете.
Пост-квантовая криптография (PQC)
Несмотря на отсутствие немедленной угрозы, времени на разработку PQC практически нет. Хакеры уже сейчас собирают и хранят зашифрованные данные, ожидая квантового прорыва, который сделает эти данные читаемыми. В ответ инженеры активно разрабатывают пост-квантовые криптографические алгоритмы, способные противостоять атакам квантовых компьютеров.
PQC представляет собой класс публичных криптографических алгоритмов, которые защищены от взлома квантовыми машинами. Серьёзные усилия по их разработке начались в 2016 году, когда NIST пригласил криптографов представить идеи для таких алгоритмов. В июле 2022 года NIST объявил первые четыре алгоритма PQC, выбранные для стандартизации.
Первые алгоритмы PQC
- CRYSTALS-Kyber: алгоритм для безопасного доступа к веб-сайтам. Он быстро создаёт сравнительно небольшие ключи, которые легко обменивать между сторонами.
- CRYSTALS-Dilithium, FALCON, SPHINCS+: алгоритмы для цифровых подписей, которые подтверждают личности или удалённо подписывают документы.
Три из этих алгоритмов основаны на математике структурированных решёток, а SPHINCS+ использует хэш-функции.
Структурированные решётки и хэш-функции
Решётка — это набор точек, образующих структуру. Любая точка решётки может быть выражена как комбинация нескольких базовых точек, что используется для создания криптографического ключа. Взлом алгоритмов, основанных на решётках, требует колоссальных вычислительных мощностей, что делает их безопасными даже для квантовых компьютеров.
Хэш-функции — это методы преобразования данных произвольного размера в значения фиксированного размера. Они применяются для построения криптографических примитивов, используемых в системах безопасности.
Трудности внедрения PQC
Процесс стандартизации PQC сложен и требует времени. Предыдущий опыт показывает, что может пройти до 15 лет после публикации стандарта, прежде чем он будет полностью внедрён. Кроме того, внедрение нового алгоритма возможно только тогда, когда все части компьютерной системы смогут его поддерживать, что также занимает много времени и ресурсов.
Итоги
Хотя PQC всё ещё в разработке, он станет основой глобальной безопасности на долгие годы. Усилия, начатые NIST в 2016 году, уже дали плоды, но требуется продолжать работу без остановки. Несмотря на то, что взлом существующей криптографии квантовыми компьютерами возможен только в будущем, требуется не только создать новые алгоритмы, но и адаптировать инфраструктуру для их использования.