Kvantumdatorer Slutet på kryptografi?

Quantum computing är en av de tekniker som är så galna att TV-teckennamnet släpper det när de vill låta smarta.

Kvantumberäkning som en idé har funnits en stund - den teoretiska möjligheten ursprungligen introducerades av Yuri Manin och Richard Feynman 1982. Under de senaste åren har fältet emellertid skett oroande närmare praktiken.

Företag som Google och Microsoft, liksom myndigheter som NSA har alla varit feverishly förföljer kvantdatorer i många år nu. Ett företag som heter D-Wave har producerat och säljer enheter som (medan de inte är korrekta datorer, och kan bara utföra några algoritmer) utnyttjar kvantegenskaper och är ett ytterligare steg på vägen mot en fullständig Turing-komplett Vad är Turing-testet och kommer det någonsin att bli slagna? Vad är Turing-testet och kommer det någonsin att bli slagna? Turing-testet är avsett att bestämma om maskiner tänker. Gjorde Eugene Goostman-programmet verkligen Turing-testet, eller skapade skaparna helt enkelt? Läs mer kvantmaskin.

Det verkar inte orimligt att säga att genombrott kan inträffa som gör det möjligt att bygga den första storskaliga kvantdatorn inom ett decennium.

Så varför intresset? Varför ska du bry dig? Datorer blir fortare hela tiden Vad är Moores lag och vad ska det göra med dig? [MakeUseOf Förklarar] Vad är Moores lag och vad ska det göra med dig? [MakeUseOf Explains] Otur har inget att göra med Moores lag. Om det är föreningen du hade, förvirrar du det med Murphys lag. Men du var inte långt borta eftersom Moores lag och Murphys lag ... Läs mer - vad är så speciellt om kvantdatorer?

För att förklara varför dessa maskiner är så viktiga måste vi ta ett steg tillbaka och utforska exakt vilka kvantdatorer som är och varför de arbetar. Till att börja med, låt oss prata om ett koncept som heter “runtime komplexitet.”

Vad är Runtime Complexity?

En av de stora överraskningarna i datavetenskapens tidiga dagar var upptäckten att om du har en dator som löser ett problem av viss storlek under en viss tid, gör det inte nödvändigtvis att det går att hantera problem med att fördubbla datorns hastighet dubbelt så stor.

Vissa algoritmer ökar i total körningstid väldigt mycket snabbt, eftersom problemstorleken växer - vissa algoritmer kan snabbt slutföras med 100 datapunkter, men att fylla algoritmen som ges 1000 datapunkter skulle kräva en dator som jordens storlek kör för en miljarder år. Runtime-komplexitet är en formalisering av denna idé: det ser på kurvan hur snabbt problemets komplexitet växer och använder formen av den här kurvan för att klassificera algoritmen.

I allmänhet uttrycks dessa svårighetsgrader som funktioner. En algoritm som blir proportionellt hårdare när datasatsen arbetar med ökningar (som en enkel räkning) sägs vara en funktion med en runtime-komplexitet av “n” (som i det tar det n tidsenheter att bearbeta n datapunkter).

Alternativt kan det kallas “linjär”, för när du graverar det får du en rak linje. Andra funktioner kan vara n ^ 2 eller 2 ^ n eller n! (n faktoriell). Dessa är polynomiala och exponentiella. I de senare två fallen växer exponentiella de så snabbt att de i nästan alla fall inte kan lösas för något annat än mycket triviala exempel.

Runtime-komplexitet och kryptografi

Om du hörs det här för första gången och det låter meningslöst och bultigt, låt oss försöka slipa den här diskussionen. Runtime-komplexitet är avgörande för kryptografi, som förlitar sig på att göra dekryptering mycket lättare för personer som känner till en hemlig nyckel än för dem som inte gör det. I ett perfekt kryptografiskt system bör dekryptering vara linjär om du har nyckeln, och 2 ^ k (där k är antalet bitar i nyckeln) om du inte gör det.

Med andra ord borde den bästa algoritmen för att dekryptera meddelandet utan nyckeln bara gissa möjliga nycklar, vilket är svårt för nycklarna bara några hundra bitar långa.

För symmetrisk nyckelkryptografi (där de två parterna har möjlighet att utbyta en hemlighet säkert innan de börjar kommunikationen) är det ganska enkelt. För asymmetrisk kryptering är det svårare.

Asymmetrisk kryptering, där krypterings- och dekrypteringsnycklarna är olika och inte enkelt kan beräknas från varandra, är en mycket hårdare matematisk struktur för att implementera än symmetrisk kryptografi, men det är också mycket kraftfullare: Asymmetrisk krypto låter dig ha privata konversationer , även över tappade linjer! Det låter dig också skapa “digitala signaturer” så att du kan verifiera vem ett meddelande kom från och att det inte har manipulerats.

Dessa är kraftfulla verktyg och utgör grunden för modern integritet: utan asymmetrisk kryptering skulle användare av elektroniska enheter inte ha något tillförlitligt skydd mot nyfikna ögon.

Eftersom asymmetrisk kryptering är svårare att bygga än symmetrisk, är de standardkrypteringssystem som används idag inte lika starka som de kan vara: Den vanligaste krypteringsstandarden, RSA, kan knäckas om du effektivt kan hitta huvudfaktorerna i en mycket stort antal. Den goda nyheten är att det är ett mycket svårt problem.

Den mest kända algoritmen för factoring av stora tal i sina komponentprimer kallas den allmänna nummerfältet, och har en runtime-komplexitet som växer lite långsammare än 2 ^ n. Som en konsekvens måste nycklarna vara ungefär tio gånger längre för att ge liknande säkerhet, vilket är något som människor normalt tolererar som en kostnad för att göra affärer. Den dåliga nyheten är att hela spelfältet ändras när kvantdatorer slås in i mixen.

Quantum Datorer: Ändra Crypto Game

Quantum-datorer arbetar eftersom de kan ha flera interna tillstånd samtidigt, genom ett kallat kvantfenomen “överlagring”. Det betyder att de kan attackera olika delar av ett problem samtidigt, dela upp över möjliga versioner av universum. De kan också konfigureras så att grenarna som löser problemet hamnar med den största amplituden, så att när du öppnar lådan på Schrodinger katt är den version av det interna tillståndet som du mest sannolikt kommer att presenteras för ett lur -klockande katt som håller ett dekrypterat meddelande.

För mer information om kvantdatorer, kolla in vår senaste artikel om ämnet Hur fungerar optiska och kvanta datorer? Hur fungerar optiska och kvanta datorer? Exascale Age kommer. Vet du hur optiska och kvantdatorer fungerar och kommer den nya teknologin bli vår framtid? Läs mer !

Resultatet av detta är att kvantdatorer inte bara är linjärt snabbare, det sätt som vanliga datorer är: att få två eller tio eller hundra gånger snabbare hjälper inte mycket när det gäller konventionell kryptering att du är hundratals miljarder gånger för långsam för att bearbeta. Kvantumdatorer stöder algoritmer som har mindre växande körtidskomplexiteter än vad som annars är möjligt. Det här gör vad kvantdatorer i grunden skiljer sig från andra framtida beräkningsteknologier, till exempel grafen och memristerberäkning. Den senaste datatekniken du måste se för att se den senaste datatekniken du måste se för att tro. Kolla in några av de senaste datortekniken som ställs in att förvandla världen av elektronik och datorer över de närmaste åren. Läs mer .

För ett konkret exempel kan Shors algoritm, som bara kan utföras på en kvantdator, få stor betydelse för log (n) ^ 3 tid, vilket är drastiskt bättre än den bästa klassiska attacken. Att använda det allmänna nummerfältet för att faktor ett nummer med 2048 bitar tar ungefär 10 ^ 41 tidsenheter, som fungerar till mer än triljon biljoner biljoner. Med hjälp av Shors algoritm tar samma problem endast cirka 1000 tidsenheter.

Effekten blir mer uttalad ju längre nycklarna är. Det är kraften hos kvantdatorer.

Förse mig inte fel - kvanta datorer har många potentiella icke-onda användningar. Quantum-datorer kan effektivt lösa problemet med resande säljare, så att forskare kan bygga mer effektiva fraktnät och utforma bättre kretsar. Kvantumdatorer har redan kraftfulla användningsområden i artificiell intelligens.

Med detta sagt kommer deras roll i kryptografi att bli katastrofal. Krypteringstekniken som gör det möjligt för vår värld att fungera beror på att problemet med integerfaktorer är svårt att lösa. RSA och relaterade krypteringssystem är vad du kan lita på, du är på rätt hemsida, att filerna du laddar ner inte är riddled med skadlig kod och att människor inte spionerar på din Internet-surfning (om du använder Tor).

Kryptografi håller ditt bankkonto säkert och säkrar världens kärnkraftsinfrastruktur. När kvantdatorer blir praktiska slutar all den tekniken att fungera. Den första organisationen att utveckla en kvantdator, om världen fortfarande arbetar med den teknik vi använder idag, kommer att vara i en skrämmande kraftfull position.

Så är kvantapokalypsen oundviklig? Finns det något vi kan göra åt det? Som det visar sig ... ja.

Post-Quantum Cryptography

Det finns flera klasser av krypteringsalgoritmer som, så vitt vi vet, inte är betydligt snabbare att lösa på en kvantdator. Dessa är kollektiva kända som postkvantumkryptografi och ger hopp om att världen kan övergå till kryptosystem som kommer att förbli säkra i en värld av kvantkryptering.

Lovande kandidater inkluderar gitterbaserad kryptering, som Ring-Learning With Error, som härleder sin säkerhet från ett påvisbart komplext maskininlärningsproblem och multivariat kryptografi, vilket ger sin säkerhet från svårigheten att lösa mycket stora system med enkla ekvationer. Du kan läsa mer om detta ämne på Wikipedia-artikeln. Akta dig: mycket av dessa saker är komplexa, och du kan tycka att din matematikbakgrund måste vara nötad upp betydligt innan du verkligen kan gräva i detaljerna.

Takeaway från mycket av detta är att post-quantum cryptoschemes är väldigt coola, men också mycket unga. De behöver mer arbete för att vara effektiva och praktiska, och också att visa att de är säkra. Anledningen till att vi kan lita på kryptosystem är att vi har kastat tillräckligt med kliniskt paranoida genier på dem tillräckligt länge för att några uppenbara brister skulle ha upptäckts nu och forskare har visat olika egenskaper som gör dem starka.

Modern kryptografi beror på ljus som desinfektionsmedel, och de flesta krypteringssystemen efter kvantitet är helt enkelt för nya för att lita på världssäkerheten. De kommer därifrån och med lite tur och viss förberedelse kan säkerhetsexperter slutföra omkopplaren innan den första kvantdatorn någonsin kommer på rad.

Om de misslyckas kan konsekvenserna emellertid vara skrämmande. Tanken på att någon som har den typen av makt är oroande, även om du är optimistisk om sina avsikter. Frågan om vem som först utvecklar en fungerande kvantdator är en som alla bör titta mycket noga på när vi flyttar in i nästa årtionde.

Är du oroad över krypterings osäkerhet i kvantdatorer? Vad tar du med? Dela dina tankar i kommentarerna nedan!

Bildkrediter: Binary orb Via Shutterstock

Utforska mer om: Online-säkerhet.