Eltörik-e hamarosan a kvantumszámítógépek az internetes adatvédelmet?
A kvantumszámítógépek egy új számítási megközelítést jelentenek, amely az alapvető fizika elveit alkalmazza rendkívül összetett problémák nagyon gyors megoldására.
A kvantumszámítógépek egyik legígéretesebb alkalmazása az anyag viselkedésének szimulációja molekuláris szinten.
Egy kvantumszámítógép a kvantummechanika szinte misztikus jelenségeit használja ki, hogy hatalmas ugrásokat érjen el a számítási teljesítményben. A kvantumszámítógépek megígérik, hogy felülmúlják a mai – és a holnap – legerősebb szuperszámítógépeit is.
A kvantumszámítás – amely csak az egyik a növekvő kvantumtechnológiai három fő területe közül – önmagában 2035-re akár 1,3 billió dollár értéket érhet.
Azonban nem fogják lecserélni a hagyományos számítógépeket. Egy klasszikus számítógép továbbra is a legegyszerűbb és legköltséghatékonyabb megoldás lesz a legtöbb probléma esetében. De a kvantumszámítógépek izgalmas előrelépéseket ígérnek különböző területeken, az anyagtudománytól a gyógyszerkutatásig. Vállalatok már kísérleteznek velük, például könnyebb és hatékonyabb akkumulátorok fejlesztésére elektromos autókhoz, valamint új gyógyszerek kifejlesztésére.
A gépek kiválóan alkalmasak optimalizálási problémákra, mert rendkívül gyorsan képesek átvizsgálni a lehetséges megoldások nagy számát. Például az Airbus használja őket, hogy kiszámítsa a leginkább üzemanyag-takarékos emelkedési és süllyedési útvonalakat repülőgépek számára. És a Volkswagen bemutatott egy szolgáltatást, amely optimális útvonalakat számít ki buszok és taxik számára a városokban a közlekedési dugók minimalizálása érdekében.
Néhány kutató úgy is véli, hogy a gépeket fel lehetne használni a mesterséges intelligencia felgyorsítására. Azonban a kutatói közösségben sok vita folyik arról, mennyire lesz jelentős ennek az eredménynek az elérése.
Hadd próbáljam meg a lehető legegyszerűbben elmagyarázni:
Az 1990-es években a kutatók felismerték, hogy a kvantumszámítógépek a fizika sajátosságait kihasználva képesek megoldani olyan feladatokat, amelyek a “klasszikus” számítógépek számára elérhetetlennek tűntek. Peter Shor, egy matematikus, aki ma a Massachusetts Institute of Technology-ban, Cambridge-ben dolgozik, 1994-ben bemutatta, hogyan lehet a kvantumszuperpozíció – ami az atomméretű objektumok képessége több állapot kombinációjában egyszerre létezni – és a kvantuminterferencia jelenségeit, ami analóg módon ahhoz hasonlítható, hogyan adódhatnak össze vagy kiolthatják egymást a hullámok egy tó felszínén, alkalmazni a számok prímtényezőkre bontására, azaz az egész számok olyan részeire, amelyek tovább nem oszthatók maradék nélkül.
Egy kvantumszámítógép erejének titka az, hogy képes kvantumbiteket (qubitokat) létrehozni és manipulálni.
A klasszikus számítástechnika, amely a laptopodat és a mobiltelefont hajtja, biteken alapul. A bit az információ egy egysége, amely lehet nulla vagy egy.
Minden, a tweetjeidtől és e-mailjeidtől kezdve az iTunes-dalaidig és YouTube-videóidig, lényegében ezeknek a bináris számjegyeknek a hosszú soraiból áll.
Ezzel szemben a kvantumszámítástechnika kvantumbiteken (Qubitek) alapul, amelyek nullákat és egyeket tárolhatnak. A qubitek egyszerre képesek bármilyen nullák és egyek kombinációját képviselni – ezt hívják szuperpozíciónak.
A kvantumszámítógépek általában szubatomi részecskékből, például elektronokból vagy fotonokból állnak. A qubitek létrehozása és kezelése tudományos és technikai kihívás. Néhány vállalat, mint például IBM, Google és Rigetti Computing, szupravezető áramköröket használ, amelyeket a világűrnél hidegebb hőmérsékletre hűtenek. Mások, mint az IonQ, egyedi atomokat ejtenek csapdába elektromágneses mezőkben egy szilícium chipen, ultranagyvákuumkamrákban.
Mindkét esetben a cél az, hogy a qubiteket egy kontrollált kvantumállapotban izolálják. A legnagyobb ma elérhető kvantumgép – az Osprey-chip, amelyet novemberben jelentett be az IBM – 433 qubittel rendelkezik.
A qubiteknek van néhány különös kvantumtulajdonsága, amelyeknek köszönhetően egy összefüggő qubit-csoport sokkal több számítási teljesítményt nyújthat, mint ugyanolyan számú bináris bit. Az egyik tulajdonságot szuperpozíciónak nevezik, egy másikat összefonódásnak.
Még eltarthat néhány évig, amíg a kvantumszámítógépek elérik teljes potenciáljukat. Az egyetemek és vállalatok, amelyek ezeken dolgoznak, a képzett kutatók hiányával küzdenek ezen a területen – és egyes kulcskomponensek beszállítóinak hiányával. De ha ezek az egzotikus új számítóeszközök beváltják ígéreteiket, teljes iparágakat változtathatnak meg és világszerte előmozdíthatják az innovációt.
A PRVCY - Probléma
Mint általában a technológia terén, ennek a fejlődésnek is van politikai oldala. A legtöbb magas jövedelmű ország elkezdett függetlenül, vagy köz- és magánszféra közötti partnerségek keretében befektetni a kvantumszámítógépek kutatásába. Sok közepes jövedelmű ország is indított kvantumszámítástechnikai pilot programokat.
És mint általában a technológiai verseny során, két fő erő játssza a főszerepet.
Egyesült Államok
Az Egyesült Államokban a kormány a katonai kvantumtechnológián dolgozik, és tavaly beiktatta a Post-Quantum Cybersecurity Guidelines törvénybe.
A törvény két fő részből áll. Az első része kimondja, hogy a Management and Budget Hivatal (OMB) egy évvel a NIST által kibocsátott új irányelvek után el kell kezdje átállását a Post-Quantum
Post-Quantum Kriptográfiára. Ez azt jelenti, hogy az OMB-nek 2023. július 5-ig el kell kezdje a NIST által jóváhagyott kriptográfiai algoritmusok végrehajtását az ügyintézési IT-rendszerek védelme érdekében.
A második részben az OMB-nek jelentést kell benyújtania a Kongresszusnak, amelyben kifejti a átmeneti stratégiáját, és 2023. december 21-ig forrásokért folyamodik a kvantumbiztos rendszerekre való áttéréshez. A törvényjavaslat azt is előírja, hogy az ügynökség addig az időpontig határozza meg az erőfeszítéseit a nemzetközi szabványosító szervezetekkel és más konzorciumokkal való együttműködés koordinálására.
Kína
Ezzel szemben egy Kínai kutatócsoport nemrég egy olyan technikát mutatott be, amely elméletileg képes volna feltörni a digitális adatvédelem legelterjedtebb módszereit egy kezdetleges kvantumszámítógép segítségével.
Ezt nevezem kínai támadásnak, és hogy megmagyarázzam, miért politikai ez az állítás, technikai részletekbe kell bocsátkoznom:
Amikor a klasszikus számítógépek egy problémát több változóval oldanak meg, minden alkalommal új számítást kell végezniük, amikor egy változó módosul. Minden számítás egyetlen út egyetlen eredményhez. A kvantumszámítógépek azonban nagyobb munkaterülettel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy számos útvonalat képesek egyszerre vizsgálni. Ez a lehetőség azt jelenti, hogy a kvantumszámítógépek sokkal, sokkal gyorsabbak lehetnek, mint a klasszikus számítógépek.
A kínaiak által használt technológia egy kis bemutató során működött, jelentették a kutatók, de más szakemberek szkeptikusak, hogy az eljárás skálázható lehet olyan mértékben, hogy felülmúlja a hagyományos számítógépeket ebben a feladatban. Mindazonáltal emlékeztető az online magánélet kiszolgáltatottságára.
Shor algoritmusa egy kvantumszámítógépet exponenciálisan gyorsabbá tenné a klasszikusnál, amikor egy nagy prímekre épülő titkosítási rendszert kell feltörni – Rivest-Shamir-Adleman vagy RSA, alkotói kezdőbetűivel – valamint néhány másik népszerű kriptográfiai technikát, amelyek jelenleg az internet magánéletét és biztonságát védik.
A kutatók szerint lehet, hogy egymillió vagy annál több qubitre van szükség az RSA feltöréséhez.
Shijie Wei a Pekingi Kvantuminformatikai Tudományok Akadémiájáról és kollégái másik utat választottak az RSA feltöréséhez. Nem a Shor algoritmusra támaszkodnak, hanem a Schnorr algoritmusra – egy egész számok faktorizálására szolgáló eljárásra, amelyet Claus Schnorr matematikus fejlesztett ki a frankfurti Goethe Egyetemen az 1990-es években. A Schnorr algoritmusa klasszikus számítógépek számára készült, de Wei csapata a folyamat egy részét kvantumszámítógépre implementálta, egy QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm) nevű eljárás segítségével.
A még nem lektorált munkájukban a szerzők azt állítják, hogy algoritmusukkal erős RSA kulcsok – több mint 600 számjegyű számok – törhetők fel mindössze 372 qubittel. Egy e-mailben, amelyet a Nature-nek írt Guilu Long, a kínai Tsinghua Egyetem fizikusa, a szerzők nevében figyelmeztetett, hogy önmagában nem elegendő sok qubit birtoklása, és hogy a jelenlegi kvantumszámítógépek még túl hibásak ahhoz, hogy egy ilyen nagy számítást sikeresen végrehajtsanak. “Csak a qubitek számának növelése a hibaarány csökkentése nélkül nem segít.”
Chao-Yang Lu, egy fizikus, aki Hefei városban, Kínában, a Tudományos és Technológiai Egyetemen kvantumszámítógépeket épít, és nem vett részt a projektben, azt mondja, hogy a QAOA algoritmus futtatásához egy olyan kicsi gépen az összes 372 qubitnek az idő 99,9999%-ában hibamentesen kellene működnie. A modern qubitek jelenleg csak 99,9%-os pontosságot érnek el.
A probléma az, hogy senki sem tudja, hogy a QAOA gyorsabban képes-e kiszámítani nagy számokat, mint Schnorr klasszikus algoritmusa egy laptopon. “Meg kell jegyezni, hogy az algoritmus kvantumgyorsítása nem világos,” írják a szerzők.
Más szóval, bár Shor algoritmusa garantáltan hatékonyan feltöri a titkosítást, ha megfelelően nagy kvantumszámítógép áll rendelkezésre, az optimalizáláson alapuló technika is működhet egy sokkal kisebb gépen, de lehet, hogy sosem teljesíti a feladatot.
Még ha a Schnorr alapú technika nem is fogja feltörni az internetet, a kvantumszámítógépek valamikor meg fogják tenni ezt Shor algoritmusa futtatásával. Emiatt Kína bejelentette, hogy dolgoznak a számítógépes titkosítások feltörésén, míg az Egyesült Államok kihirdette a post-kvantum kiberbiztonsági törvényét.
Minden olyan ország, amelynek bruttó hazai terméke meghaladja az 1 billió dollárt, nemzeti kvantum kezdeményezéseket indított. Ebbe a kategóriába tartozik Kína, Japán, India, Kanada és az USA, amelyek a legtöbb forrást fektetik be a kvantumkutatásba. De Németország, Egyesült Királyság, Franciaország, Oroszország, Olaszország, Brazília, Ausztrália, Dél-Korea, Spanyolország, Szaúd-Arábia és a Hollandia is ebbe a kategóriába tartozik (a GDP sorrendjében). Brazília és Spanyolország az elmúlt évben indították el nemzeti kvantum kezdeményezéseiket.
Az országok többségében van egy dinamikus kereskedelmi szektor is, amely kvantumkutatással foglalkozik. A magán kvantumszámítógép vállalatok száma ezekben az országokban relatíve nagy más országokhoz képest. Az USA-ban 350+, az Egyesült Királyságban 100+, Németországban 100+, Kanadában 80+, Franciaországban 75+, Kínában 35+, Japánban 35+, Hollandiában 35+, Indiában 20+ és Spanyolországban 15+ található.
Ez azt jelenti, hogy a verseny a legjobb eredményekért és a félelem a többi országtól már megkezdődött. Ebben a kontextusban biztonsági kutatók alternatív kriptográfiai rendszereket fejlesztettek ki, amelyek kevésbé érzékenyek a kvantumtámadásokra, és post-kvantum vagy kvantumbiztosnak nevezik őket. De lehetséges, hogy a jövőben a kutatók jobb kvantumalgoritmusokat fedeznek fel, amelyek ezeket a rendszereket is képesek legyőzni.
