Квантовые вычисления и криптография

(Ди Алессандро Фиори)
21/08/19

Человек по своей природе должен развиваться и общаться.
Коммуникация является одним из фундаментальных аспектов роста человека, и это отражается во всей его деятельности. Любая человеческая деятельность нуждается в отношениях, которые поддерживаются через язык, независимо от того, каким он является, любыми средствами и формами, независимо от самой деятельности или используемых средств коммуникации. Средства коммуникации, используемые человеком, со временем развивались, становясь все более сложными, вплоть до сегодняшнего дня, позволяя человеку общаться на больших расстояниях и в режиме реального времени благодаря технологиям.

Тайна общения всегда была фундаментальным фактором, необходимым для беспрепятственного осуществления человеческой деятельности. Для обеспечения секретности рождается криптография, то есть Science, которая изучает методы, гарантирующие, что сообщение может быть прочитано только авторизованным получателем. Это требование в действительности уже ощущалось во времена древних римлян, когда Юлий Цезарь, чтобы сообщать приказы своим войскам, использовал свой собственный шифр, известный сегодня как «Шифр Цезаря».

Шифр - это инструмент, созданный специально для «шифрования» и «дешифрования» сообщений с помощью простого алгоритма. Шифр Цезаря, например, можно использовать для шифрования текста путем «перемещения» кодируемых букв на три позиции вправо следующим образом: слово «CIAO» становится «FLDR» (при открытии изображение, чтобы объяснить "сдвиг").

Переместившись назад на три позиции, непонятный текст «FLDR» возвращается к «CIAO».
Очевидно, что этот алгоритм на сегодняшний день очень «уязвим» и легко расшифруем, с небольшим терпением, даже вручную, с простых компьютеров.

Но давайте на секунду остановимся на понятии «уязвимый алгоритм». Легко видеть, как даже из приведенного примера криптография играла важную роль в различных военных кампаниях, в каждом веке.

Очевидно, что две воюющие армии пытаются украсть информацию друг у друга, как для предсказания и уничтожения вражеских стратегий перед битвой, так и для обнаружения их движений в одно и то же время. Чтобы преодолеть эту потребность, родился криптоанализ, который представляет собой набор методов и исследований, чтобы попытаться расшифровать сообщение, не зная «ключ».

Все еще ссылаясь на шифр Цезаря, «ключ», использованный Юлием Цезарем, составлял три (вместе с направлением по часовой стрелке или против часовой стрелки), или число позиций для «смещения» букв алфавита.
Другой ключ затем возвращает другой текст в результате, это означает, что отправитель и получатель должны иметь один и тот же ключ, один для шифрования и отправки сообщения, другой для расшифровки и чтения.
Отсюда вытекает одна из основных проблем при использовании этого типа алгоритма (симметричная криптография): распределение ключа.

Пожалуй, самый известный пример криптоанализа, на который мы можем ссылаться, произошел во время Второй мировой войны, когда Алан Тьюринг создал машину «Колосс», очень далекого родственника современных компьютеров, предназначенную для расшифровки зашифрованных сообщений с помощью машины Enigma (на самом деле его специализация, а именно Lorenz SZ40 и SZ42).

Легко видеть, что с помощью криптоанализа, если армии удастся расшифровать сообщения противника, она сможет получить огромное и фундаментальное преимущество.

На практике, в крайних случаях, противник больше не может делать какие-либо шаги или разрабатывать стратегию в тайне. Эта возможность «взломать» алгоритмы, используемые для обеспечения секретности противника, привела к неумолимой погоне между математиками, с теми, кто пытался создавать все более сложные алгоритмы, и теми, кто пытался их расшифровать. В тот период, фактически, родился единственный совершенный шифр, то есть единственный шифр, чья безопасность и неприкосновенность, One Time Pad, были математически доказаны.

Шифр Vernam, также называемый «One Time Pad» (одноразовая записная книжка), представляет собой специальный алгоритм шифрования, безопасность которого была математически доказана Клодом Шенноном, американским инженером, который считается отцом теории информации в 1949.

Безопасность One Time Pad происходит тогда и только тогда, когда:
- Ключ по крайней мере столько же, сколько текст для шифрования
- Ключ «действительно случайный», что означает, что программы, генерирующие числа, не допускаются. Это связано с тем, что программное обеспечение для генерации последовательности случайных чисел использует алгоритмы, которые начинаются с «начальной точки».

Эта начальная точка (которая может быть, например, числом) означает, что сгенерированная серия чисел не является действительно случайной. Для злоумышленника может оказаться возможным найти «начальную точку» и с помощью того же алгоритма снова сгенерировать все «случайные» числа, сгенерированные ранее. По этой причине программное обеспечение для генерации чисел определяется как «псевдослучайное» или «псевдо-случайный».
- Ключ ДОЛЖЕН использоваться только один раз.
Это вызывает проблемы, так как очень трудно обмениваться очень длинными сообщениями, и как только «пэды» заканчиваются, ключ, который всегда является действительно случайным, должен быть восстановлен и заменен получателем.

Чтобы преодолеть эти ограничения, была разработана «Асимметричная криптография» с использованием шифров «с открытым ключом».

Этот особый тип алгоритма, широко используемый для Интернета и связи в режиме реального времени, такой как чаты, позволяет индивиду связываться с двумя ключами, один строго личный (частный) и один для общего доступа (общедоступный). Собеседник может зашифровать сообщение с помощью открытого ключа получателя, но только получатель может прочитать сообщение, расшифровав его благодаря собственному «закрытому ключу». Поскольку все шифры с открытым ключом основывают свою безопасность на сложных математических функциях, для расшифровки сообщения без знания ключа требуется вычислительная мощность, которая значительно превосходит машины, представленные в настоящее время на рынке, что само по себе практически невозможно, хотя теоретически возможно благодаря атака грубой силой (или попытка всех возможных комбинаций) или использование сети компьютеров, которые вместе пытаются форсировать алгоритм через его математические уязвимости.

На сегодняшний день криптография присутствует практически в каждый момент нашей жизни, просто подумайте, например, о сайтах, которые предоставляют протокол HTTPS, который является системой обмена данными между нашим браузером, программой, которую мы используем для навигации в Интернет, а сайт посещен.

Другим примером является сквозное шифрование (например, шифрование WhatsApp), то есть система обмена, которая позволяет только заинтересованным сторонам читать содержание сообщения. С сквозным шифрованием, даже не сервер Сам WhatsApp может читать содержимое обмененных сообщений. Однако необходимо помнить, как приложение Whatsapp и другие подобные имеют закрытый код, поэтому невозможно узнать публику о реальных операциях, которые выполняет приложение.

Полезно помнить, что даже если приложение публично признано надежным, не секрет, что некоторые правительства могут попросить заинтересованные компании внедрить бэкдоры (буквально «сервисные порты» для чтения сообщений) или протоколы, такие как «протокол-призрак» (то есть «фантомный собеседник», в данном случае правительство, которое могло бы стать частью разговора, могло без труда прочитать сообщения).
Легко видеть, что технологическая гонка не имеет тормозов, и это может указывать на то, что, продвигаясь во времени, эти шифры могут быть «сломаны» благодаря все более мощным вычислительным мощностям и процессорам, поэтому мы стремимся к укрытию, обновляя алгоритмы или создавая их новый, более устойчивый и безопасный.

Однако эта «погоня за друг другом» может претерпеть серьезные изменения благодаря появившейся в эти годы новой технологии, которая может реально изменить мир связи и криптографии, или «квантовых вычислений».

Квантовый компьютер - это компьютер нового типа, который использует принципы квантовой механики для выполнения операций и обработки информации. Фактически, для того, чтобы работать, Квантовый Компьютер использует не обычный бит, а «кубит» или «квантовый бит». Кубит отличается от «классического» бита тем, что он не является простым «0» или «1», а скорее кодирует информацию, основанную на состоянии наблюдаемого атома.

В качестве примера, обычный бит может быть представлен бросанием монеты в классическом «голова или крест».
Результат запуска представляет «0» или «1», собирающийся кодировать биты.

Теперь представьте, что вы берете ту же монету и заставляете ее вращаться, и представьте, что монета никогда не останавливается. Монета будет иметь два состояния, которые могут быть представлены в виде двоичной информации «0» или «1». Однако та же самая валюта может быть найдена в «суперпозиции состояний», то есть состояния «0» и «1» могут быть объединены вместе, чтобы дать жизнь определенному числу новых состояний.
Эта комбинация, то есть принцип суперпозиции состояний, позволяет расширить кодирование информации, позволяя экспоненциально расширять возможности расчета.

Принцип суперпозиции является первым постулатом квантовой механики. В нем говорится, что два или более "квантовых состояния" могут быть добавлены (наложены), генерируя действительное квантовое состояние. Кроме того, каждое состояние является суммой (перекрытием) нескольких квантовых состояний.

«Квантовое состояние» или «квантовое состояние» - это математическое представление физической системы, или «части вселенной», или явления, объекта исследования.

Основываясь на принципах квантовой механики, были построены очень сложные системы, называемые «квантовые компьютеры».

Первая реализация этой системы восходит к 2001, когда IBM создает первый квантовый компьютер на кубите 7.

В 2007 компания «D-Wave Systems» реализует первый квантовый процессор на кубите 16.

Всегда D-Wave Systems реализует в 2011 «D-Wave One», то есть компьютер с кубитом 128, первым квантовым процессором, который будет представлен на рынке.

В 2013 производится "D-Wave Two", процессор в кубит 512.

Между 2016 и 2019 IBM предоставляет так называемый «Quantum Experience», который представляет собой платформу в облаке, которая предоставляет квантовые процессоры и сети.

Две платформы (D-Wave и IBM) сильно отличаются друг от друга.

В деталях, D-Wave Two состоит из сверхпроводящих цепей.

Каждый сверхпроводник представляет кубит.

Система поддерживается при температуре -271 градусов по Цельсию.

Когда температура повышается, электроны могут вращаться с одинаковой вероятностью как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, создавая таким образом суперпозицию состояний, необходимых для функционирования квантового компьютера.

IBM Quantum Experience, с другой стороны, представляет подключенную инфраструктуру в облаке, которая позволяет программировать до кубита 5 и запускать собственное квантовое программное обеспечение на квантовом процессоре или на симуляторе, подключенном в облаке. Quantum Experience позволяет создавать квантовые программы вплоть до «кодовых» строк 5, по одной на кубит.

Легко увидеть, как началась «квантовая гонка», но почему это?
Основная причина этой гонки к «квантовому биту», находящемуся в области войны или «завоевания» информации противника. Любой, кто интересуется войной, пытается «сломать» вражеские криптографические системы, и огромная вычислительная мощность квантового компьютера обещает чудеса. Однако, как и любая технология, каждый инструмент может использовать как злоумышленник, так и защитник.

Но давайте вернемся на минутку к Perfect Cipher, One Time Pad.
Этот шифр не используется в обычной среде, так как распространение ключа - это проблема, которая не может быть легко решена в обычной компьютерной сети. Таким образом, возможность использования One Time Pad таким способом, который никогда ранее не рассматривался, изучалась на тех же принципах квантовой механики.

Два исследователя и профессора университета (Джеральдо А. Барбоса - Университет Южной Калифорнии и Йерун ван де Грааф - Университет Монреаля) в 2015 представили ключевую систему создания и распространения для One Time Pad, используя «шум», присутствующий в волоконно-оптический кабель для прохождения фотона.

Шум - это помеха, небольшое изменение по сравнению с исходным сигналом.
Шум является совершенно случайным, поэтому его можно использовать для генерации неограниченного количества ключей, а также для их удобного распределения, что позволяет решить проблемы, связанные с One Time Pad.

Так называемое «Квантовое распределение ключей» или QKD также было создано для использования One Time Pad. Через Квантовое Распределение Ключей возможно, через принципы квантовой механики, генерировать ключи и распределять их безопасным способом, потому что любое измерение в квантовой системе изменяет их состояние (принцип неопределенности), следовательно, собеседники немедленно обнаружат что кто-то пытается подобрать распределенный ключ (и, очевидно, поскольку измерение изменяется, «захваченный» ключ не будет правильным).

Что касается использования в военных целях, сценарии постоянно развиваются.
Если в 2016 Китай запустил первый спутник, Micius, для квантовой связи на орбиту, возможности этих новых систем изучаются во всем мире.

Подробно спутник Micius (название происходит от древнекитайского философа) является первым экспериментальным спутником, входящим в состав гораздо более крупного проекта под названием «QUESS» (Квантовые эксперименты в космическом масштабе), международного исследовательского проекта в области квантовой физики. , Цели проекта состоят в том, чтобы внедрить в 2020 зашифрованную квантовую сеть между Азией и Европой и в 2030 для расширения этой сети в глобальном масштабе.

Целью проекта QUESS является создание сети, которая не только «криптографически» защищена, но и невозможна для перехвата, и это возможно благодаря другому принципу квантовой физики, отсутствующему в классической физике, который называется «запутывание».

Квантовая запутанность - это явление, которое возникает в определенных условиях, в которых квантовое «состояние» не может быть изучено или описано индивидуально, но только как «суперпозиция состояний».
Из этого следует, что измерение состояния также определяет ценность других одновременно.
Группе исследователей из Глазго удалось сфотографировать запутывание между двумя фотонами (изображение).

Благодаря этому особому явлению проекту QUESS удалось выполнить первый переносчик фотонов благодаря спутнику Micius. В настоящее время проект QUESS находится в стадии разработки, и, несмотря на ограничения (сеть нельзя использовать при наличии солнечного света), в 2016 был сделан первый видеовызов в квантовой сети. Таким образом, достижение превосходства в этой области может иметь огромное преимущество перед конкурентами.

Учитывая вычислительную мощность квантовых компьютеров и реальный риск, который не могут выдержать используемые в настоящее время шифры, криптографы изучают алгоритмы, специально созданные для того, чтобы противостоять этим чрезвычайно мощным компьютерам. Из этого исследования родился термин «постквантовая криптография».

Однако существуют алгоритмы, которые уже могут противостоять квантовой компьютерной атаке, если используются с достаточно длинным ключом.

Одним из них является AES, или Advanced Encryption Standard, который используется американским правительством для защиты документов, классифицированных как «совершенно секретные», которые могут быть использованы кем угодно и включены в многочисленные фреймворки или пакеты для разработчиков для создать программное обеспечение.

Различные компании, такие как Microsoft и IBM, также выпускают квантовые компьютерные симуляторы для широкой публики, чтобы научиться программировать на этом типе машины.

Microsoft также выпустила специальный язык под названием «Q #» (Q-sharp) и упражнения под названием «Katas», чтобы научиться использовать эту новую технологию.

И ты готов к будущему? ... потому что в глубине души это уже здесь!

Для углубления:

https://www.dwavesys.com/home
https://www.research.ibm.com/ibm-q/
https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/language/?view=qsharp-preview
http://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/difendersi-dai-computer-quanti...
http://www.difesaonline.it/evidenza/eventi/enigma-la-macchina-cifrante-c...ò-The-события из-2agm
https://arxiv.org/abs/1406.1543
https://en.wikipedia.org/wiki/Q_Sharp
https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2018/07/23/learn-at-your-own-pa...
http://www.difesaonline.it/recensioni/andrew-hodges-alan-turing-storia-d...