Ανησυχώντας ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα υπερφορτίσουν το hacking, ο Λευκός Οίκος ζητά αλλαγή κρυπτογράφησης
Οι κβαντικοί υπολογιστές -εξωτικές μηχανές που μπορούν να λύσουν πρακτικά προβλήματα που θα εμπόδιζαν κάθε συμβατικό υπερυπολογιστή- παραμένουν χρόνια ή δεκαετίες μακριά. Ωστόσο, χθες η κυβέρνηση του Προέδρου Τζο Μπάιντεν έκανε ένα βήμα για να προβλέψει την ενδεχόμενη ανάπτυξη τέτοιων μηχανών. Σε ένα νέο μνημόνιο εθνικής ασφάλειας, ο Λευκός Οίκος δίνει εντολή στις ομοσπονδιακές υπηρεσίες να προετοιμαστούν να μεταβούν από τους αλγόριθμους κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται σήμερα για την ασφάλεια των επικοινωνιών στο Διαδίκτυο και άλλα δίκτυα σε νέους αλγόριθμους ανθεκτικούς στην επίθεση από κβαντικό υπολογιστή.
Το σημείωμα προβλέπει τη στροφή να ξεκινήσει το 2024, όταν θα πρέπει να εμφανιστεί το πρώτο πρότυπο για μια τέτοια «μετακβαντική κρυπτογραφία» και να ολοκληρωθεί πριν από το 2035. Ευτυχώς για τις εταιρείες του Διαδικτύου, μια τέτοια μετακβαντική κρυπτογραφία θα περιλαμβάνει αλλαγές κυρίως στο λογισμικό. «Δεν χρειάζεστε κβαντικό υπολογιστή για να εφαρμόσετε αυτές τις μετακβαντικές λύσεις», λέει ο Dustin Moody, μαθηματικός του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST). Ωστόσο, λέει, «Η μετάβαση θα πρέπει να είναι αρκετά προκλητική, όπως συμβαίνει με οποιαδήποτε μετάβαση κρυπτογράφησης που έχουμε κάνει».
Ενώ ένας συμβατικός υπολογιστής επεξεργάζεται πληροφορίες αναστρέφοντας bit που μπορούν να ρυθμιστούν σε 0 ή 1, ένας κβαντικός υπολογιστής χειρίζεται κβαντικά bit ή qubits που μπορούν να ρυθμιστούν σε 0, 1 ή, χάρη στους περίεργους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, 0 και 1 στο την ίδια ώρα. Τέτοιες αμφίδρομες καταστάσεις επιτρέπουν σε έναν κβαντικό υπολογιστή να κωδικοποιεί όλες τις πιθανές λύσεις σε ορισμένα προβλήματα ως αφηρημένα κβαντικά κύματα. Ρυθμίστε τα πράγματα σωστά και, στα σπλάχνα του μηχανήματος, τα κύματα θα παρεμβαίνουν έτσι ώστε οι λανθασμένες λύσεις να ακυρώνονται η μία την άλλη και να εμφανιστεί η σωστή λύση.
Από το 1994, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι, κατ' αρχήν, ένας κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να είναι σε θέση να σπάσει τα λεγόμενα σχήματα κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού. Για λόγους αποτελεσματικότητας, τέτοια σχήματα χρησιμοποιούνται συνήθως για την έναρξη ιδιωτικών επικοινωνιών στο Διαδίκτυο ή σε κάποιο άλλο δίκτυο. Συχνά, ο αλγόριθμος δημόσιου κλειδιού χρησιμεύει μόνο για την επικοινωνία ενός άλλου κλειδιού, ενός μυστικού που χρησιμοποιούν δύο ανταποκριτές - ας πούμε, η Alice και ο Bob - για να αρχικοποιήσουν ένα δεύτερο ξεχωριστό πρόγραμμα κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούν παράλληλα για να κωδικοποιήσουν και να αποκωδικοποιήσουν το μεγαλύτερο μέρος του μηνύματός τους. Ωστόσο, εάν ένας υποκλοπής—ας πούμε η Εύα—μπορεί να χακάρει το σύστημα δημόσιου κλειδιού, μπορεί να κλέψει το μυστικό και να αποκωδικοποιήσει ολόκληρη την ανταλλαγή.
Στα τρέχοντα συστήματα δημόσιου κλειδιού, το δημόσιο κλειδί είναι ένας γιγαντιαίος αριθμός που είναι το γινόμενο δύο παραγόντων, και των δύο πρώτων αριθμών. Εάν η Αλίκη επιθυμεί να λάβει ένα μυστικό μήνυμα από τον Μπομπ, του στέλνει το κλειδί και εκείνος το χρησιμοποιεί για να ανακατέψει το αριθμητικό του μήνυμα σύμφωνα με έναν περίπλοκο αλγόριθμο που είναι δημοσίως γνωστός. Αλλά είναι πολύ δύσκολο για την Εύα να αναιρέσει τον αλγόριθμο εκτός αν γνωρίζει τους πρώτους αριθμούς του κλειδιού. Η Αλίκη κρατά αυτούς τους παράγοντες ως το ιδιωτικό της κλειδί, το οποίο της επιτρέπει να αποκωδικοποιήσει γρήγορα το μήνυμα του Μπομπ. Ωστόσο, ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να συνυπολογίσει τον τεράστιο αριθμό πολύ γρηγορότερα από έναν συνηθισμένο υπολογιστή, επιτρέποντας στην Εύα να αποκωδικοποιήσει το μήνυμα σε λίγο.
Δεδομένης της διαφαινόμενης απειλής, μαθηματικοί και κρυπτογράφοι εργάζονται ήδη σε άλλα σχήματα κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού που είναι ανθεκτικά στην παραβίαση από κβαντικό υπολογιστή. Για παράδειγμα, σε μια προσέγγιση, το δημόσιο κλειδί αποτελείται από ένα σύνολο διανυσμάτων που μπορούν να προστεθούν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν έναν κανονικό πίνακα σημείων που ονομάζεται πλέγμα σε έναν πολυδιάστατο χώρο. Χρησιμοποιώντας τα διανύσματα, ο Bob κωδικοποιεί το μήνυμά του ως ένα σημείο κοντά σε ένα εντός του πλέγματος. Η Εύα θα δυσκολευτεί να προσδιορίσει τον ακριβή μαθηματικό συνδυασμό διανυσμάτων που χρησιμοποίησε ο Μπομπ, τα οποία αποτελούν το μήνυμά του. Αλλά η Αλίκη μπορεί να καταλάβει τον συνδυασμό επειδή έχει ως μυστικό κλειδί της ένα σύνολο απλούστερων, αλλά ισοδύναμων διανυσμάτων με τα οποία μπορεί να επιτεθεί στο πρόβλημα.
Από το 2017, το NIST συνεργάζεται με ερευνητές για την ανάπτυξη προτύπων για αλγόριθμους μετακβαντικής κρυπτογραφίας, όπως πόσο μεγάλο πρέπει να είναι το δημόσιο κλειδί. Εντός εβδομάδων, ο οργανισμός θα ανακοινώσει τη χούφτα αλγορίθμων που θα κερδίσουν για τους οποίους θα κωδικοποιήσει πρότυπα, λέει ο Moody. Αυτό θα βάλει το NIST σε καλό δρόμο για να ανακοινώσει αυτά τα πρότυπα έως το 2024. Το σημείωμα καλεί επίσης το NIST να σχηματίσει εντός 90 ημερών ένα έργο «για να συνεργαστεί με τον ιδιωτικό τομέα για την αντιμετώπιση των προκλήσεων της κυβερνοασφάλειας που θέτει η μετάβαση στην κρυπτογραφία ανθεκτική στην κβαντική». Αυτό το έργο βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη, λέει ο Moody.
Για τον μέσο άνθρωπο, η μετάβαση στη μετακβαντική κρυπτογραφία θα πρέπει να είναι σε μεγάλο βαθμό απαρατήρητη. Ωστόσο, για να λειτουργήσουν αποτελεσματικά οι αλγόριθμοι, οι κατασκευαστές μικροτσίπ θα πρέπει να τροποποιήσουν τα σχέδιά τους, λέει η Lily Chen, μαθηματικός στο NIST. Ως αποτέλεσμα, το πόσο γρήγορα θα εφαρμοστούν οι νέοι αλγόριθμοι θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από τις αποφάσεις των κατασκευαστών και των πωλητών εξοπλισμού, λέει ο Chen. "Κάποια στιγμή, θα πάρω ένα νέο smartphone", λέει, "αλλά το αν το smartphone θα χρησιμοποιεί μετακβαντική κρυπτογραφία θα είναι απόφαση του πωλητή."
Περιέργως, παρόλο που υπάρχουν ισχυρά επιχειρήματα που υποδηλώνουν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής δεν μπορεί ποτέ να σπάσει τους νέους αλγόριθμους, δεν υπάρχει σιδερένια απόδειξη. Αλλά αυτό δεν είναι κάτι καινούργιο, σημειώνει ο Moody, καθώς επίσης δεν υπάρχει απόδειξη ότι ένας συμβατικός υπερυπολογιστής μπορεί να σπάσει τους τρέχοντες αλγόριθμους δημόσιου κλειδιού.
