Awọn iye ti kọmputa aabo irinṣẹ - a kẹhin asegbeyin tabi a àlàfo ninu awọn coffin? Nigba ti a ba ni awọn miliọnu qubits

Ni ọna kan, iṣiro kuatomu dabi pe o jẹ ọna fifi ẹnọ kọ nkan “pipe” ati “aidibajẹ” ti yoo ṣe idiwọ fun ẹnikẹni lati sakasaka sinu awọn kọnputa ati data. Ni ida keji, iberu tun wa pe “awọn eniyan buburu” kii yoo lo imọ-ẹrọ kuatomu lairotẹlẹ…

Ni oṣu diẹ sẹhin, ninu Awọn lẹta lori Fisiksi ti a lo, awọn onimo ijinlẹ sayensi lati Ilu China ṣe afihan iyara julọ kuatomu ID nọmba monomono (olupilẹṣẹ nọmba ID kuatomu, QRNG) nṣiṣẹ ni akoko gidi. Kini idi ti o ṣe pataki? Nitori agbara lati ṣe ina (gidi) awọn nọmba ID jẹ bọtini si fifi ẹnọ kọ nkan.

Pupọ julọ Awọn ọna ṣiṣe QRNG loni o nlo photonic ọtọtọ ati awọn paati itanna, ṣugbọn iṣakojọpọ iru awọn paati sinu iyika iṣọpọ kan jẹ ipenija imọ-ẹrọ pataki kan. Eto ti o ni idagbasoke nipasẹ ẹgbẹ nlo indium germanium photodiodes ati ampilifaya transimpedance ti a ṣepọ pẹlu eto photonic silikoni (1) pẹlu eto ti awọn tọkọtaya ati awọn attenuators.

Awọn apapo ti awọn wọnyi irinše faye gba ENGLISH QR lori erin ti awọn ifihan agbara lati awọn orisun ti kuatomu entropy pẹlu significantly dara si igbohunsafẹfẹ esi. Ni kete ti a ti rii awọn ifihan agbara laileto, wọn ṣe ilana nipasẹ matrix ẹnu-ọna ti eto ti o yọ awọn nọmba lairotẹlẹ jade nitootọ lati inu data aise. Ẹrọ abajade le ṣe ina awọn nọmba ni fere 19 gigabits fun iṣẹju kan, igbasilẹ agbaye tuntun kan. Awọn nọmba ID le lẹhinna firanṣẹ si kọnputa eyikeyi lori okun okun opitiki kan.

Iran ti kuatomu ID awọn nọmba jẹ ni okan ti cryptography. Mora ID nọmba Generators ojo melo gbekele lori aligoridimu mọ bi afarape-ID nọmba Generators, eyi ti, bi awọn orukọ daba, ni ko iwongba ti ID ati nitorina oyi jẹ ipalara. Loke opitika kuatomu nọmba Generators diẹ ninu awọn ile-iṣẹ lairotẹlẹ otitọ bi kuatomu Dice ati IDQuantique ṣiṣẹ laarin awọn miiran. Awọn ọja wọn ti wa ni lilo ni iṣowo.

eyi ti o ṣe akoso bi awọn ohun elo ti ara ṣe n ṣiṣẹ lori awọn iwọn ti o kere julọ. Iwọn deede ti bit 1 tabi bit 0 jẹ qubit kan. (2), eyiti o tun le jẹ 0 tabi 1, tabi wa ni ohun ti a npe ni superposition - eyikeyi apapo ti 0 ati 1. Ṣiṣe iṣiro kan lori awọn iwọn kilasika meji (eyiti o le jẹ 00, 01, 10, ati 11) nilo mẹrin awọn igbesẹ ti.

o le ṣe awọn iṣiro ni gbogbo awọn ipinlẹ mẹrin ni akoko kanna. Eyi ṣe iwọn lainidi - ẹgbẹrun qubits yoo jẹ ni awọn ọna diẹ lagbara ju supercomputer ti o lagbara julọ ni agbaye. Erongba kuatomu miiran ti o ṣe pataki fun iširo kuatomu jẹ iporurunitori eyiti awọn qubits le ni ibamu ni ọna ti a ṣe apejuwe wọn nipasẹ ipo kuatomu kan. Iwọn ọkan ninu wọn lẹsẹkẹsẹ fihan ipo ti ekeji.

Ibanujẹ jẹ pataki ni cryptography ati ibaraẹnisọrọ kuatomu. Bibẹẹkọ, agbara ti iširo kuatomu da kii ṣe ni iyara iširo. Dipo, o pese anfani ti o pọju ni awọn kilasi ti awọn iṣoro, gẹgẹbi iṣiro awọn nọmba ti o tobi pupọ, eyiti yoo ni awọn ipa pataki fun cybersecurity.

Awọn julọ amojuto ni-ṣiṣe kuatomu iširo ni lati ṣẹda awọn qubits ifarada aṣiṣe to lati ṣii agbara ti iṣiro kuatomu. Ibaraṣepọ laarin qubit ati agbegbe rẹ dinku didara alaye ni awọn iṣẹju-aaya. Iyasọtọ qubits lati agbegbe wọn, fun apẹẹrẹ nipa itutu wọn si awọn iwọn otutu ti o sunmọ odo pipe, nira ati gbowolori. Ariwo n pọ si bi nọmba awọn qubits ṣe n pọ si, to nilo awọn ilana atunṣe aṣiṣe fafa.

ti wa ni siseto lọwọlọwọ lati awọn ẹnu-ọna oye kuatomu ẹyọkan, eyiti o le jẹ itẹwọgba fun awọn kọnputa kuatomu kekere Afọwọkọ, ṣugbọn aiṣedeede nigbati o ba de si ẹgbẹẹgbẹrun qubits. Laipe, diẹ ninu awọn ile-iṣẹ bii IBM ati Classiq ti n ṣe idagbasoke awọn ipele alafojusi diẹ sii ninu akopọ siseto, gbigba awọn oludasilẹ lati kọ awọn ohun elo kuatomu ti o lagbara lati yanju awọn iṣoro agbaye gidi.

Awọn akosemose gbagbọ pe awọn oṣere pẹlu awọn ero buburu le lo anfani anfani ti kuatomu iširo ṣẹda ọna tuntun si awọn irufin cybersecurity. Wọn le ṣe awọn iṣe ti yoo jẹ gbowolori ni iṣiro pupọ lori awọn kọnputa kilasika. Pẹlu kọnputa kuatomu kan, agbonaeburuwole le ni imọ-jinlẹ ni iyara ṣe itupalẹ awọn ipilẹ data ati ṣe ifilọlẹ awọn ikọlu fafa si nọmba nla ti awọn nẹtiwọọki ati awọn ẹrọ.

Botilẹjẹpe ni akoko yii o dabi ẹni pe ko ṣeeṣe pe ni iyara lọwọlọwọ ti ilọsiwaju imọ-ẹrọ, ifarahan ti iširo idi gbogbogbo kuatomu yoo wa laipẹ ni awọsanma bi ohun elo amayederun bi ipilẹ iṣẹ kan, ti o jẹ ki o wa si ọpọlọpọ awọn olumulo.

Pada ni ọdun 2019, Microsoft kede pe yoo funni kuatomu iširo ninu rẹ Azure awọsanma, biotilejepe eyi yoo ṣe idinwo lilo wọn lati yan awọn onibara. Gẹgẹbi apakan ti ọja yii, ile-iṣẹ pese awọn solusan kuatomu gẹgẹbi Awọn oluyanju i aligoridimu, kuatomu software, gẹgẹbi awọn simulators ati awọn irinṣẹ iṣiro awọn orisun, bakanna bi ohun elo kuatomu pẹlu ọpọlọpọ awọn ile-iṣọ qubit ti o le ṣee lo nipasẹ awọn olosa. Awọn olupese miiran ti awọn iṣẹ iširo awọsanma ni IBM ati Amazon Web Services (AWS).

Ija ti awọn algoridimu

Classic oni ciphers gbekele awọn agbekalẹ mathematiki idiju lati yi data pada sinu awọn ifiranse ti paroko fun ibi ipamọ ati gbigbe. O ti wa ni lo lati encrypt ki o si decrypt data. oni bọtini.

Nitorinaa, ikọlu naa gbiyanju lati fọ ọna fifi ẹnọ kọ nkan lati ji tabi yi alaye to ni aabo pada. Ọna ti o han gbangba lati ṣe eyi ni lati gbiyanju gbogbo awọn bọtini ti o ṣeeṣe lati pinnu ọkan ti yoo sọ data naa pada si fọọmu kika eniyan. Ilana naa le ṣee ṣe nipa lilo kọnputa aṣa, ṣugbọn nilo igbiyanju pupọ ati akoko.

Wọn wa lọwọlọwọ meji akọkọ orisi ti ìsekóòdù: isedogbani akoko kanna, bọtini kanna ni a lo lati encrypt ati decrypt data; si be e si aiṣedeede, iyẹn ni, pẹlu bọtini ti gbogbo eniyan ti o pẹlu bata meji ti awọn bọtini ti o ni ibatan mathematiki, ọkan ninu eyiti o wa ni gbangba lati gba eniyan laaye lati fi ifiranṣẹ pamọ fun oniwun bọtini bata, ati pe ekeji wa ni ikọkọ nipasẹ oniwun lati yọkuro ifiranṣẹ.

W ìsekóòdù symmetrical bọtini kanna ni a lo lati encrypt ati decrypt nkan data ti a fun. Apeere ti algorithm symmetric: To ti ni ilọsiwaju ìsekóòdù Standard (AES). AES algorithm, ti ijọba AMẸRIKA gba, ṣe atilẹyin awọn iwọn bọtini mẹta: 128-bit, 192-bit, ati 256-bit. Awọn algoridimu Symmetric jẹ lilo nigbagbogbo fun awọn iṣẹ ṣiṣe fifi ẹnọ kọ nkan lọpọlọpọ gẹgẹbi fifi ẹnọ kọ nkan data nla, awọn ọna ṣiṣe faili, ati iranti ohun.

W aibaramu ìsekóòdù data ti wa ni fifipamọ pẹlu bọtini kan (ti a tọka si bi bọtini gbogbo eniyan) ati pe o ni idinku pẹlu bọtini miiran (ti a tọka si bi bọtini ikọkọ). Wọpọ lo Rivest alugoridimu, Shamira, Adleman (RSA) jẹ apẹẹrẹ ti algorithm asymmetric. Botilẹjẹpe wọn lọra ju fifi ẹnọ kọ nkan bii, awọn algoridimu asymmetric yanju iṣoro pinpin bọtini, eyiti o jẹ iṣoro pataki ni fifi ẹnọ kọ nkan.

Àkọsílẹ bọtini cryptography o jẹ lilo fun paṣipaarọ aabo ti awọn bọtini asymmetric ati fun ijẹrisi oni-nọmba tabi fowo si awọn ifiranṣẹ, awọn iwe aṣẹ, ati awọn iwe-ẹri ti o ṣepọ awọn bọtini gbangba pẹlu idanimọ ti awọn dimu wọn. Nigba ti a ba ṣabẹwo si oju opo wẹẹbu ti o ni aabo ti o nlo awọn ilana HTTPS, aṣawakiri wa nlo cryptography bọtini ti gbogbo eniyan lati jẹri ijẹrisi oju opo wẹẹbu naa ki o ṣeto bọtini afọwọṣe lati encrypt awọn ibaraẹnisọrọ si ati lati oju opo wẹẹbu naa.

Nitori Oba gbogbo awọn ohun elo ayelujara awon mejeeji lo aami-cryptographyи cryptography bọtini gbangbamejeeji fọọmu gbọdọ jẹ ailewu. Ọna to rọọrun lati kiraki koodu naa ni lati gbiyanju gbogbo awọn bọtini ti o ṣeeṣe titi ti o fi gba ọkan ti o ṣiṣẹ. Awọn kọnputa deede wọn le ṣe, ṣugbọn o ṣoro pupọ.

Fun apẹẹrẹ, ni Oṣu Keje ọdun 2002, ẹgbẹ naa kede pe wọn ti ṣe awari bọtini asymmetric 64-bit, ṣugbọn o nilo igbiyanju eniyan 300. eniyan fun diẹ ẹ sii ju mẹrin ati idaji odun kan ti ise. Bọtini kan lemeji bi gigun, tabi 128 bits, yoo ni diẹ sii ju 300 sextillion awọn ojutu, nọmba eyiti o jẹ afihan bi 3 ati odo. Paapaa agbaye sare supercomputer Yoo gba awọn aimọye ọdun lati wa bọtini ti o tọ. Bibẹẹkọ, ilana iširo kuatomu kan ti a pe ni Grover's algorithm ṣe iyara ilana naa nipa titan bọtini 128-bit sinu kọnputa kọnputa deede ti bọtini 64-bit kan. Ṣugbọn aabo jẹ rọrun - awọn bọtini gbọdọ wa ni gigun. Fun apẹẹrẹ, bọtini 256-bit ni aabo kanna si ikọlu kuatomu bi bọtini 128-bit kan lodi si ikọlu deede.

Àkọsílẹ bọtini cryptography sibẹsibẹ, yi ni a Elo tobi isoro nitori awọn ọna ti awọn eko isiro ṣiṣẹ. Gbajumo wọnyi ọjọ awọn algoridimu ìsekóòdù bọtini gbangbani a npe ni RSA, Diffiego-Hellman i elliptic ti tẹ cryptography, wọn gba ọ laaye lati bẹrẹ pẹlu bọtini gbangba ati ṣe iṣiro bọtini ikọkọ ni mathematiki laisi lilọ nipasẹ gbogbo awọn iṣeeṣe.

wọn le fọ awọn ojutu fifi ẹnọ kọ nkan ti aabo rẹ da lori isọdiwọn odidi tabi logarithms ọtọtọ. Fun apẹẹrẹ, ni lilo ọna RSA ti a lo lọpọlọpọ ni iṣowo e-commerce, bọtini ikọkọ kan le ṣe iṣiro nipasẹ sisọ nọmba kan ti o jẹ ọja ti awọn nọmba akọkọ meji, bii 3 ati 5 fun 15. Titi di bayi, fifi ẹnọ kọ nkan ti gbogbo eniyan ko ni adehun . Iwadi Peter Shore ni Massachusetts Institute of Technology diẹ sii ju 20 ọdun sẹyin fihan pe fifọ fifi ẹnọ kọ nkan asymmetric jẹ ṣeeṣe.

le kiraki to 4096-bit bọtini orisii ni o kan kan diẹ wakati nipa lilo a ilana ti a npe ni Shor's alugoridimu. Sibẹsibẹ, eyi ni bojumu kuatomu awọn kọmputa ti ojo iwaju. Ni akoko yii, nọmba ti o tobi julọ ti a ṣe iṣiro lori kọnputa kuatomu jẹ 15 - lapapọ awọn bit 4.

Biotilejepe alugoridimu symmetrical Algorithm ti Shor ko si ninu ewu, agbara iširo kuatomu fi agbara mu awọn titobi bọtini lati di pupọ. fun apere ti o tobi kuatomu awọn kọmputa nṣiṣẹ Grover ká alugoridimu, eyiti o nlo awọn ilana kuatomu lati beere awọn apoti isura data ni iyara, o le pese ilọsiwaju iṣẹ ṣiṣe ilọpo mẹrin ni awọn ikọlu agbara-agbara lodi si awọn algoridimu fifi ẹnọ kọ nkan bii AES. Lati daabobo lodi si awọn ikọlu agbara iro, ilọpo iwọn bọtini lati pese ipele aabo kanna. Fun algorithm AES, eyi tumọ si lilo awọn bọtini 256-bit lati ṣetọju agbara aabo 128-bit loni.

Ti oni RSA ìsekóòdù, fọọmu fifi ẹnọ kọ nkan ti o gbajumo, paapaa nigba gbigbe data ifura sori Intanẹẹti, da lori awọn nọmba 2048-bit. Awọn amoye ṣe iṣiro pe kuatomu kọmputa yoo gba to bi 70 milionu qubits lati fọ fifi ẹnọ kọ nkan yii. Fifun Lọwọlọwọ, awọn kọnputa kuatomu ti o tobi julọ ko ju ọgọrun qubits lọ. (biotilejepe IBM ati Google ni awọn ero lati de ọdọ milionu kan nipasẹ 2030), o le jẹ igba pipẹ ṣaaju ki irokeke gidi kan han, ṣugbọn bi iyara ti iwadi ni agbegbe yii ti n tẹsiwaju lati mu yara, ko le ṣe ipinnu pe iru kọmputa kan yoo han. wa ni itumọ ti ni awọn tókàn 3-5 years.

Fun apẹẹrẹ, Google ati Ile-ẹkọ KTH ni Sweden ti royin laipẹ ri “ọna ti o dara julọ” si Awọn kọnputa kuatomu le ṣe awọn iṣiro ni ilodi si koodu naa, idinku iye awọn ohun elo ti wọn nilo nipasẹ awọn aṣẹ titobi. Iwe wọn, ti a tẹjade ni Atunwo Imọ-ẹrọ MIT, sọ pe kọnputa kan pẹlu 20 million qubits le fa nọmba 2048-bit kan ni awọn wakati 8 nikan.

Cryptography lẹhin-kuatomu

Ni awọn ọdun aipẹ, awọn onimo ijinlẹ sayensi ti ṣiṣẹ takuntakun lati ṣẹda "kuatomu-ailewu" ìsekóòdù. Onimọ-jinlẹ Amẹrika ṣe ijabọ pe Ile-ẹkọ ti Orilẹ-ede AMẸRIKA ti Awọn ajohunše ati Imọ-ẹrọ (NIST) ti n ṣe itupalẹ awọn ilana tuntun ti o pọju 69 ti a pe ni “post-quantum cryptography (PQC)”. Sibẹsibẹ, lẹta kanna tọka si pe ibeere ti fifọ cryptography ode oni nipasẹ awọn kọnputa kuatomu jẹ arosọ fun akoko naa.

3. Ọkan ninu awọn awoṣe cryptography ti o da lori apapo ti kọ.

Ni eyikeyi idiyele, ni ibamu si ijabọ 2018 kan lati National Academy of Sciences, Engineering and Medicine, "titun cryptography gbọdọ wa ni idagbasoke ati imuse ni bayi, paapaa ti kọnputa kuatomu ti o lagbara lati fọ cryptography ode oni ko ni itumọ ni ọdun mẹwa.” . Awọn kọnputa kuatomu fifọ koodu iwaju le ni awọn igba ẹgbẹrun diẹ sii agbara sisẹ ati oṣuwọn aṣiṣe ti o dinku, ṣiṣe wọn ni agbara lati ja awọn iṣe cybersecurity ode oni.

Ninu awọn ojutu ti a pe ni “post-quantum cryptography” ni a mọ, ni pataki, Ile-iṣẹ PQShield. Awọn alamọdaju aabo le rọpo algoridimu cryptographic ti aṣa pẹlu awọn algoridimu nẹtiwọọki. (cryptography ti o da lori lattice) ti a ṣẹda pẹlu aabo ni lokan. Awọn ọna tuntun wọnyi tọju data sinu awọn iṣoro mathematiki eka ti a pe ni lattices (3). Iru awọn ẹya algebra ni o nira lati yanju, gbigba awọn oluyaworan lati ni aabo alaye paapaa ni oju awọn kọnputa kuatomu ti o lagbara.

Gẹgẹbi oluwadii IBM kan, Cecilia Boscini, mesh cryptography ti o da lori nẹtiwọọki yoo ṣe idiwọ awọn ikọlu orisun kọnputa kuatomu ni ọjọ iwaju, bakannaa pese ipilẹ fun fifi ẹnọ kọ nkan homomorphic ni kikun (FHE), eyiti o fun laaye awọn olumulo lati ṣe iṣiro lori awọn faili laisi wiwo data naa tabi ṣiṣafihan si awọn olosa.

Ọna miiran ti o ni ileri ni kuatomu bọtini pinpin (Ṣiṣe). Pipin kuatomu ti awọn bọtini QKD (4) nlo awọn iyalẹnu ti awọn ẹrọ ẹrọ kuatomu (gẹgẹbi entanglement) lati pese paṣipaarọ aṣiri patapata ti awọn bọtini fifi ẹnọ kọ nkan ati paapaa le kilo nipa wiwa “eavesdropper” laarin awọn aaye ipari meji.

Ni ibẹrẹ, ọna yii ṣee ṣe nikan lori okun opiti, ṣugbọn nisisiyi Quantum Xchange ti ṣe agbekalẹ ọna lati firanṣẹ lori Intanẹẹti daradara. Fun apẹẹrẹ, awọn adanwo Kannada ti KKK nipasẹ satẹlaiti kan ni ijinna ti ọpọlọpọ ẹgbẹrun kilomita ni a mọ. Ni afikun si Ilu China, awọn aṣaaju-ọna ni agbegbe yii jẹ Aabo Quantum KETS ati Toshiba.

4. Ọkan ninu awọn awoṣe pinpin bọtini kuatomu, QKD