Триллионные перспективы квантовых вычислений скрывают серьезные опасности

Квантовые вычисления обладают огромным потенциалом для преобразования, но в то же время сопряжены с серьезными рисками. Технологические гиганты, такие как IBM, Google, Microsoft и Amazon, запустили коммерческие квантовые облачные сервисы, а специализированные компании, такие как Quantinuum и PsiQuantum, быстро достигли оценки в миллиард долларов. Аналитики прогнозируют, что с 2025 по 2035 год глобальный рынок квантовых вычислений может принести мировой экономике более 1 триллиона долларов. Однако остается важный вопрос: действительно ли преимущества перевешивают опасности?

С одной стороны, эти передовые системы могут революционизировать такие области, как фармацевтические исследования, климатология, искусственный интеллект и поиск искусственного общего интеллекта (AGI). С другой стороны, они создают серьезные проблемы в области кибербезопасности, требующие немедленного внимания, даже несмотря на то, что криптографически значимые квантовые компьютеры, способные взломать современные системы шифрования, еще далеки от реализации.

Понимание угроз, связанных с квантовыми вычислениями

Основная проблема кибербезопасности, связанная с квантовыми вычислениями, заключается в их способности взламывать алгоритмы шифрования, которые в настоящее время считаются неразрушимыми. Опрос KPMG показывает, что примерно 78 % американских компаний и 60 % канадских фирм ожидают, что к 2030 году квантовые компьютеры станут массовыми. Еще более тревожным является то, что 73 % респондентов из США и 60 % респондентов из Канады считают, что это лишь вопрос времени, когда киберпреступники начнут использовать квантовые вычисления для взлома современных протоколов безопасности.

Современное шифрование основано на математических задачах, которые практически неразрешимы классическими компьютерами в разумные сроки. Например, для факторизации больших простых чисел, используемых в шифровании RSA, классическому компьютеру потребовалось бы примерно 300 триллионов лет. Однако с помощью алгоритма Шора, разработанного в 1994 году для эффективной факторизации больших целых чисел квантовыми компьютерами, достаточно мощный квантовый компьютер мог бы решить эту задачу в разы быстрее.

Алгоритм Гровера, разработанный для неструктурированного поиска, представляет собой серьезную угрозу для симметричного шифрования, поскольку фактически снижает его уровень безопасности вдвое. Это означает, что шифрование AES-128 будет обеспечивать безопасность, сопоставимую с классической 64-битной системой, что делает его уязвимым для квантовых атак. Это подчеркивает острую необходимость перехода к более надежным стандартам, таким как AES-256, которые могут лучше противостоять квантовым угрозам в ближайшем будущем.

Сбор сейчас, расшифровка позже

Особую озабоченность вызывает стратегия атаки «собирай сейчас, расшифровывай позже» (HNDL). Этот подход предполагает, что злоумышленники собирают зашифрованные данные сегодня, чтобы расшифровать их, когда квантовая технология достигнет зрелости. Это представляет серьезную долгосрочную угрозу для конфиденциальных данных, имеющих постоянную ценность, таких как медицинские записи, финансовая информация, секретные правительственные документы и военная разведка.

Учитывая потенциально катастрофические последствия атак HNDL, организации по всему миру, управляющие критически важной инфраструктурой, должны принять «криптогибкость» — способность быстро заменять криптографические алгоритмы и реализации по мере появления новых уязвимостей. Эта угроза признана в Меморандуме национальной безопасности США о продвижении лидерства США в области квантовых вычислений при одновременном снижении рисков для уязвимых криптографических систем, в котором прямо призывают к принятию проактивных контрмер.

Хронология угрозы

Прогнозы относительно появления квантовых угроз сильно разнятся среди экспертов. Недавний отчет MITRE, основанный на текущих тенденциях в области квантового объема (ключевой показатель производительности), предполагает, что квантовый компьютер, достаточно мощный для взлома шифрования RSA-2048, может появиться не раньше 2055-2060 годов.

В то же время некоторые эксперты настроены более оптимистично. Они утверждают, что недавние достижения в области исправления квантовых ошибок и разработки алгоритмов могут ускорить прогресс, потенциально сделав возможным квантовое дешифрование уже в 2035 году. Например, в отчете, опубликованном в конце 2020 года исследователями Хайме Севильей и Джессом Риделем, выражена 90-процентная уверенность в том, что RSA-2048 может быть факторизован до 2060 года.

Хотя точные сроки остаются неопределенными, консенсус ясен: организации должны немедленно приступить к подготовке, независимо от того, когда квантовая угроза материализуется.

Квантовое машинное обучение — окончательная «черная коробка»?

Помимо текущих проблем с криптографической гибкостью, исследователи в области безопасности и футуристы обеспокоены неизбежной конвергенцией ИИ и квантовых систем. Квантовая технология может ускорить развитие ИИ, выполняя сложные вычисления с беспрецедентной скоростью, что потенциально ускорит прогресс в направлении AGI. Однако эта синергия также создает сценарии с непредсказуемыми результатами.

Основная проблема понятна даже без AGI. Интеграция квантовых вычислений в машинное обучение может создать проблему «абсолютного черного ящика». Глубокие нейронные сети и без того известны своей непрозрачностью, а процессы принятия решений в них трудно интерпретировать. Хотя существуют инструменты для объяснения классических нейронных сетей, квантовое машинное обучение будет работать по принципиально иным принципам.

Проблема заключается в том, что квантовые вычисления используют суперпозицию, запутанность и интерференцию для обработки информации способами, не имеющими классического эквивалента. При применении к алгоритмам машинного обучения полученные модели могут включать процессы, которые практически невозможно перевести в понятные для человека рассуждения. Это вызывает серьезную озабоченность в таких важных областях, как здравоохранение, финансы и автономные системы, где понимание решений ИИ имеет важное значение для безопасности и соблюдения нормативных требований.

Достаточно ли будет постквантовой криптографии?

Для борьбы с растущими квантовыми угрозами Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) в 2016 году запустил проект по стандартизации постквантовой криптографии. После всестороннего анализа 69 алгоритмов, предложенных криптографами со всего мира, NIST выбрал несколько перспективных методов, основанных на структурированных решетках и хеш-функциях — математических задачах, которые считаются устойчивыми как к классическим, так и к квантовым атакам.

В 2024 году NIST опубликовал подробные стандарты постквантовой криптографии, что побудило крупные технологические компании внедрить ранние меры защиты. Например, Apple представила PQ3, постквантовый протокол для iMessage, чтобы защитить себя от сложных квантовых атак. Аналогичным образом, Google с 2016 года тестирует постквантовые алгоритмы в Chrome и постепенно интегрирует их в свои сервисы.

Между тем Microsoft совершенствует методы исправления ошибок кубитов без нарушения квантовой среды, что является значительным шагом вперед на пути к надежным квантовым вычислениям. Компания недавно объявила о создании «нового состояния материи», называемого «топологическим кубитом», которое может ускорить разработку полнофункциональных квантовых компьютеров.

Основные проблемы перехода

Тем не менее, переход к постквантовой криптографии сопряжен со значительными препятствиями:

• Сроки внедрения: по оценкам американских чиновников, внедрение новых криптографических стандартов во всех системах займет 10–15 лет, что особенно сложно для оборудования в удаленных местах, таких как спутники, транспортные средства и банкоматы.
• Влияние на производительность: постквантовое шифрование обычно требует более крупных размеров ключей и более сложных операций, что может замедлить процессы шифрования и дешифрования.
• Нехватка технических специалистов: для успешной интеграции требуются ИТ-специалисты, обладающие навыками как в классической, так и в квантовой криптографии.
• Обнаружение уязвимостей: даже многообещающие постквантовые алгоритмы могут содержать скрытые слабые места, как это было в случае с выбранным NIST алгоритмом CRYSTALS-Kyber.
• Проблемы с цепочкой поставок: критически важные квантовые компоненты, такие как криоохладители и специализированные лазеры, подвержены рискам, связанным с геополитической напряженностью и перебоями в поставках.

Наконец, в эпоху квантовых технологий по-прежнему первостепенное значение имеет технологическая грамотность. Несмотря на то что компании внедряют постквантовую криптографию, само по себе шифрование не может защитить от человеческих ошибок, таких как переход по вредоносным ссылкам, открытие подозрительных вложений или неправомерное использование доступа к данным. Недавний инцидент с Microsoft, в ходе которого два приложения непреднамеренно раскрыли частные ключи шифрования, продемонстрировал, как ошибки внедрения могут подорвать теоретически надежную защиту.

Подготовка к квантовому будущему

Организации должны предпринять несколько ключевых шагов, чтобы подготовиться к квантовым угрозам безопасности:

• Провести инвентаризацию криптографических средств: составить каталог всех систем, использующих шифрование, которые могут быть уязвимы для квантовых атак.
• Оценить срок службы данных: определить информацию, требующую долгосрочной защиты, и соответственно расставить приоритеты при обновлении системы.
• Разработать график миграции: составить реалистичный график перехода всех систем на постквантовую криптографию.
• Выделить соответствующие ресурсы: заложить в бюджет значительные расходы, связанные с внедрением мер безопасности, устойчивых к квантовым атакам.
• Улучшить возможности мониторинга: внедрить системы для обнаружения потенциальных атак HNDL.

Теорема Микеле Моска предоставляет основу для планирования квантовой безопасности: если X (время, в течение которого данные должны оставаться защищенными) плюс Y (время, необходимое для обновления криптографических систем) превышает Z (время, в течение которого квантовые компьютеры могут взломать текущее шифрование), организации должны действовать немедленно.

Заключение

Мы вступаем в эру квантовых вычислений, сопровождаемую серьезными проблемами кибербезопасности, которые требуют незамедлительных действий, даже несмотря на неопределенность в отношении их полного проявления. Хотя квантовые компьютеры, имеющие отношение к криптографии, могут появиться только через несколько десятилетий, риски бездействия слишком велики, чтобы их игнорировать.

Как резко предупреждает Вивек Вадхва из Foreign Policy: «Неспособность мира обуздать ИИ — или, вернее, примитивные технологии, маскирующиеся под него, — должна служить серьезным предупреждением. Еще более мощной новой технологией, способной нанести огромный ущерб, особенно в сочетании с ИИ, являются квантовые вычисления».

Чтобы справиться с этим технологическим сдвигом, организации должны начать внедрять постквантовую криптографию, отслеживать враждебные квантовые программы и обеспечивать безопасность квантовой цепочки поставок. Важно подготовиться сейчас, до того как квантовые компьютеры сделают нашу текущую систему безопасности устаревшей.

Юлиус Черняускас — генеральный директор Oxylabs.