Mười ba, 53và 433. Đó là kích thước của máy tính lượng tử về bit lượng tử, hay qubit, đã phát triển đáng kể trong những năm qua nhờ các sáng kiến và đầu tư công và tư quan trọng. Đó không chỉ là một câu hỏi đơn thuần về số lượng: chất lượng của các qubit đã chuẩn bị cũng quan trọng như số lượng của chúng để máy tính lượng tử đánh bại các máy tính cổ điển hiện có của chúng ta, nghĩa là để đạt được cái gọi là “lợi thế lượng tử”. Tuy nhiên, có thể hình dung rằng các thiết bị điện toán lượng tử sẽ sớm mang lại lợi thế như vậy. Điều này sẽ ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta như thế nào?
Đưa ra dự đoán không bao giờ là dễ dàng, nhưng người ta đồng ý rằng mật mã sẽ bị thay đổi bởi sự ra đời của máy tính lượng tử. Một tuyên bố gần như tầm thường rằng quyền riêng tư là một vấn đề then chốt trong xã hội thông tin của chúng ta: mỗi ngày, một lượng lớn dữ liệu bí mật được trao đổi qua Internet. Tính bảo mật của các giao dịch này là rất quan trọng và chủ yếu phụ thuộc vào một khái niệm duy nhất: độ phức tạp hay chính xác hơn là độ phức tạp tính toán. Thông tin bí mật vẫn là bí mật vì bất kỳ kẻ nghe lén nào muốn đọc nó đều cần phải giải một bài toán cực kỳ phức tạp.
Các vấn đề được sử dụng cho mật mã rất phức tạp đối với các thuật toán và máy tính hiện tại của chúng tôi đến mức việc trao đổi thông tin vẫn an toàn cho bất kỳ mục đích thực tế nào — giải quyết vấn đề và sau đó hack giao thức sẽ mất một số năm vô lý. Ví dụ điển hình nhất của cách tiếp cận này là giao thức RSA (dành cho những người phát minh ra nó là Ron Rivest, Adi Shamir và Leonard Adleman), ngày nay đảm bảo an toàn cho việc truyền thông tin của chúng ta.
Tính bảo mật của giao thức RSA dựa trên thực tế là chúng tôi chưa có bất kỳ thuật toán hiệu quả đến nhân tử số lớn—với một số lớn, mục tiêu là tìm hai số có tích bằng số ban đầu. Ví dụ: nếu số ban đầu là 6, giải pháp là 2 và 3, vì 6=2×3. Các giao thức mật mã được xây dựng theo cách mà kẻ thù, để giải mã thông điệp, cần rất số lượng lớn (không phải 6!), hiện tại không thể làm được.
Nếu các thiết bị máy tính được chế tạo cho phép các phương pháp mã hóa hiện tại dễ dàng bị bẻ khóa, thì mô hình bảo mật hiện tại của chúng ta cần phải được xem xét lại. Đây sẽ là trường hợp của máy tính lượng tử (từng là máy tính lượng tử hoạt động máy tính tồn tại): họ sẽ có thể phá vỡ RSA vì có một thuật toán lượng tử để phân tích thừa số hiệu quả. Trong khi máy tính cổ điển có thể cần tuổi của vũ trụ cho một vấn đề như vậy, lý tưởng máy tính lượng tử sẽ có thể làm điều đó trong một vài giờ hoặc thậm chí có thể vài phút.
Đây là lý do tại sao các nhà mật mã học đang phát triển các giải pháp để thay thế RSA và đạt được bảo mật an toàn lượng tử, Có nghĩa là, giao thức mật mã an toàn trước kẻ thù có quyền truy cập vào máy tính lượng tử. Để làm như vậy, tồn tại hai cách tiếp cận chính: mật mã hậu lượng tử và phân phối khóa lượng tử.
Cách mã hóa thông tin trong một thế giới được trang bị máy tính lượng tử
Mật mã hậu lượng tử duy trì mô hình bảo mật dựa trên độ phức tạp. Người ta nên tìm kiếm các bài toán vẫn còn khó đối với máy tính lượng tử và sử dụng chúng để xây dựng các giao thức mã hóa, một lần nữa ý tưởng là kẻ thù chỉ có thể hack chúng sau một khoảng thời gian lớn đến nực cười. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực phát triển các thuật toán cho mật mã hậu lượng tử. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã khởi xướng một quy trình để trưng cầu và đánh giá các thuật toán này và các ứng cử viên được chọn đã được công bố vào tháng 2022 năm XNUMX.
Mật mã hậu lượng tử thể hiện một lợi thế rất mạnh: nó dựa trên phần mềm. Do đó, nó rẻ và quan trọng hơn là khả năng tích hợp của nó với các cơ sở hạ tầng hiện có rất đơn giản, vì người ta chỉ cần thay thế giao thức trước đó, chẳng hạn như RSA, bằng giao thức mới.
Nhưng mật mã hậu lượng tử cũng có một rủi ro rõ ràng: niềm tin của chúng ta vào “độ cứng” của các thuật toán đã chọn đối với máy tính lượng tử là có hạn. Ở đây, điều quan trọng cần nhắc lại là, nói đúng ra, không có giao thức mật mã nào dựa trên độ phức tạp được chứng minh là an toàn. Nói cách khác, không có bằng chứng nào cho thấy chúng không thể được giải một cách hiệu quả trên máy tính lượng tử hoặc cổ điển.
Đây là trường hợp của phép tính nhân tử: người ta không thể loại trừ khả năng khám phá ra một thuật toán hiệu quả cho phép tính nhân tử cho phép một máy tính cổ điển phá vỡ RSA, mà không cần máy tính lượng tử. Mặc dù không chắc, nhưng không thể loại trừ khả năng như vậy. Trong trường hợp của các thuật toán mới, bằng chứng về sự phức tạp của chúng còn hạn chế hơn nhiều, vì chúng chưa được thử nghiệm chuyên sâu đối với các nhà nghiên cứu thông minh, ít máy tính lượng tử hơn nhiều. Thật vậy, một an toàn lượng tử thuật toán được đề xuất trong sáng kiến NIST sau đó bẻ khóa trong một giờ trên PC tiêu chuẩn.
Khai thác các định luật vật lý lượng tử để bảo mật thông tin liên lạc
Cách tiếp cận thứ hai cho bảo mật an toàn lượng tử là phân phối khóa lượng tử. Ở đây, tính bảo mật của các giao thức không còn dựa trên những cân nhắc về độ phức tạp, mà dựa trên các định luật vật lý lượng tử. Do đó, chúng ta nói về lượng tử Bảo mật vật lý.
Không cần nhập chi tiết, một khóa bí mật được phân phối bằng cách sử dụng qubit và tính bảo mật của giao thức tuân theo từ Nguyên lý bất định Heisenberg, điều này ngụ ý rằng bất kỳ sự can thiệp nào của kẻ nghe trộm đều bị phát hiện do làm thay đổi trạng thái của các qubit này. Ưu điểm chính của phân phối khóa lượng tử là nó dựa trên các hiện tượng lượng tử đã được xác minh trong nhiều phòng thí nghiệm.
Vấn đề chính với việc áp dụng nó là nó yêu cầu phần cứng (lượng tử) mới. Do đó, nó đắt tiền và việc tích hợp nó với cơ sở hạ tầng hiện có là không dễ dàng. Tuy nhiên, các sáng kiến quan trọng đang diễn ra đối với triển khai phân phối khóa lượng tử ở quy mô châu Âu.
Cách tiếp cận nào để thực hiện? Câu hỏi này thường được trình bày dưới dạng lựa chọn một trong hai và ngay cả trong bài viết này, bạn cũng có thể có ấn tượng này. Tuy nhiên, tầm nhìn của chúng tôi là con đường đúng đắn để đi là tìm kiếm sự kết hợp giữa phân phối khóa hậu lượng tử và lượng tử. Cái sau đã cho chúng ta thấy rằng vật lý lượng tử cung cấp cho chúng ta những công cụ và công thức mới để thực sự bảo vệ những bí mật của chúng ta. Nếu hai cách tiếp cận được kết hợp, tin tặc sẽ có một nhiều thời gian khó khăn hơn, vì họ sẽ phải đối mặt với cả các vấn đề tính toán phức tạp và các hiện tượng lượng tử.
