Ключ до майбутнього: чому великі корпорації займаються квантовим шифруванням

Квантові технології можуть змінити наше уявлення про кібербезпеку.

Все більше IT-гігантів ризикують витрачати істотні ресурси на розробки в області квантової криптографії, припускаючи, що незабаром цей ринок зросте до небес.

Корпорація Toshiba заявила в неділю, що до 2030 року планує отримати дохід у розмірі 3 мільярдів доларів США за рахунок експлуатації своєї передової квантової технології захисту даних. Toshiba сподівається задовольнити світовий попит на подібні технології, який, на думку аналітиків компанії, буде тільки рости, особливо з урахуванням того, що кібербезпека вийшла на перший план у питаннях національної оборони провідних держав світу.

Навздогін компанія Toppan Printing, японський Національний інститут інформаційно-комунікаційних технологій (National Institute of Information and Communications Technology, NICT) і корпорації QunaSys і ISARA оголосили про початок співпраці, спрямованої на створення технології безпечної квантової хмари (Quantum Secure, Безпечuod)

Що таке квантова криптографія

Наука про квантову інформацію вивчає закони квантової фізики в інтересах обчислень, зберігання, передачі та вимірювання інформації та іншого маніпулювання нею. Вона, зокрема, займається дослідженням квантової комунікації - способами передавати інформацію, застосовуючи закони квантової фізики.

Криптографія - це дисципліна, що займається перетворенням відкритих, читаних за загальновідомими правилами даних в закодовані за деяким секретним алгоритмом, тобто таким чином, щоб прочитати їх міг тільки той, кому цей алгоритм відомий, у кого є до нього «ключ». Квантова криптографія, як наслідок, використовує для шифрування даних і захисту їх від злому принципи квантової механіки. І найбільш перспективний напрямок квантової криптографії - квантова передача (розподіл) ключів (QKD, Quantum key distribution). Для її здійснення пропонуються різні протоколи, але в основі їх усіх - 1) спостереження квантових станів частинок, наприклад, пар заплутаних фотонів, і 2) той факт, що ці стани не можна виміряти, не змінивши. Передбачається, що будь-яке зловмисне втручання в квантову передачу ключів буде призводити до зміни переданих даних і відразу ж ставати очевидним. А замість скомпрометованого ключа буде передаватися новий. Оскільки ж мова про фотони, все це буде відбуватися ще й практично миттєво.

В очікуванні квантового комп'ютера

Квантова криптографія - поки досить темна область: належить навчитися ефективно і регулярно, а не тільки на дорогих експериментальних установках під наглядом докторів наук, вирішувати кілька нетривіальних завдань, серед яких і створення пар частинок в заплутаному стані, і збереження цієї заплутаності до вимірювання при неминучому контакті із зовнішнім світом, і вимірювання їх станів таким чином, щоб витягувана при цьому інформація була корисною. Цілком резонно запитати, навіщо винаходити велосипед, якщо давно доступні інші методи захисту інформації. У світі безліч даних, які ми воліли б приховати від зайвих очей, від особистих листувань до банківських рахунків, і всі вони успішно шифруються різними способами.

Проблема в тому, що ці способи вразливі перед майбутніми технологіями: хоча використовувані в них алгоритми звичайні сучасні комп'ютери можуть зламувати роками (а то й мільйонами років), так звані квантові комп'ютери впоралися б з цим завданням набагато швидше. Квантовий комп'ютер Google.

Хоча певна кількість квантових комп'ютерів вже існує, їх поки не можна назвати цілком функціональними пристроями і величезний потенціал квантових обчислень залишається незвіданим. Квантові комп'ютери надзвичайно складні в проектуванні, виробництві та програмуванні. Їх нинішні версії сповнені помилок у вигляді шуму, збоїв і втрати квантової когерентності - узгодженості в русі частинок, - що вкрай важливо для їх роботи. Ця втрата когерентності (називається декогерентністю), що викликається вібраціями, коливаннями температури, електромагнітними хвилями та іншими взаємодіями із зовнішнім середовищем, а також власне властивостями самих спостережуваних частинок, в кінцевому підсумку руйнує квантові властивості комп'ютера раніше, ніж з його допомогою може бути вирішена будь-яка конкретна обчислювальна задача. Так що сучасні квантові комп'ютери навряд чи здатні загрожувати системам кібербезпеки.

Тим не менш, вже чути новини про все більш потужні і функціональні квантові комп'ютери, які, можливо, рано чи пізно зможуть виконувати складні обчислення, не розвалюючись на півдорозі. А існування такої потужної обчислювальної технології здатне призвести до справжнього хаосу в сфері кібербезпеки.

Тому розробки нових способів шифрування, в тому числі і квантової криптографії, спрямовані не тільки на існуючі загрози, але і на можливі майбутні проблеми.

"Хвилюючись про те, що існуючі технології криптографії і безпеки будуть скомпрометовані в найближчому майбутньому, Toppan вважає впровадження в суспільство нових технологій безпеки одним зі своїх головних обов'язків. Технологія безпечної квантової хмари являє собою концепцію практичної системи, що поєднує такі технології безпеки, як квантова криптографія нового покоління і поділ секрету (secret sharing). Об'єднавши досвід декількох компаній, ми прагнемо зробити це реальністю і зробити внесок у забезпечення безпеки в епоху квантових обчислень ",

говорить Хірокі Шибатані (Hiroki Shibatani), виконавчий директор підрозділу дизайну практик розробки (DX Design) компанії Toppan.

Безпекова ціна

3 мільярди доларів, на які сподівається Toshiba, - це величезна сума навіть для 10 років роботи. Хто і навіщо може заплатити такі гроші за безпеку даних?

Зараз компанія заявила, що об'єдналася з Verizon Communications Inc. у США і з BT Group у Великобританії в пілотних проектах QKD, а також веде переговори з якимось телекомунікаційним оператором в Південній Кореї. Але розробки компанії можуть стати в нагоді і цілим державам.

Нещодавно був затверджений бюджет США на наступний рік. До розчарування вчених, спонсорування науки в ньому багато уваги не приділили. Але є все ж галузі наукових досліджень, які бюджет Трампа на 2021 фінансовий профінансує досить щедро, - це, в тому числі, і квантова інформатика. На розробку і дослідження квантових технологій у бюджеті закладено понад півмільярда доларів, у тому числі 25 млн на створення квантового інтернету, що з'єднує 17 національних лабораторій.

Як така, здавалося б, маловивчена область, стала бюджетним пріоритетом? Є проста причина: адміністрація Трампа вважає, що квантові дослідження необхідні для національної безпеки. Більш того, можливо, США побоюються відстати від Китаю.

Інвестиції уряду США в науку і технології довгий час орієнтувалися на збільшення економічної і військової потужності Америки. Конкуренція з Китаєм, мабуть, теж має значення. Експерти часто говорять про нову «холодну війну» між цими двома державами - можливо, квантові технології стають частиною цієї історії. Китай назвав квантову інформатику ключовою планкою у своєму 13-му п'ятирічному плані «Зроблено в Китаї - 2025», а китайські фахівці в галузі оборони вважають, що «квантова гегемонія» може визначити майбутнє міжнародної політики.

Китай - перша країна, яка досягла важливих успіхів у квантовій інформатиці. До них належать квантова мережа, що з'єднує Пекін і Шанхай, і перший квантовий науковий супутник. Китай також будує найбільшу в світі квантову лабораторію.

Тому у Toshiba є причини очікувати, що світовий ринок криптографічних ключів QKD зросте до 12 мільярдів доларів за 10 років з появою квантових комп'ютерів, величезна обчислювальна міць яких дозволить легко розшифровувати математичні криптографічні ключі, нині широко використовувані у фінансах, обороні та охороні здоров'я.