Co je to Quantum Computing a proč vzbuzuje obavy o soukromí?

Kvantová výpočetní technika zůstala na pokraji technologické revoluce po lepší část minulého desetiletí. Slíbený průlom se však stále nezdá o nic blíže než před několika lety. Mezitím, i když investice neustále plynou, odborníci kladou nepříjemné otázky, zda to představuje konec online soukromí, jak ho známe. Co je to kvantové počítání, v čem se liší od tradičních počítačů a proč o tom vědci zvoní alarmem? Pokusíme se dnes odpovědět na všechny tyto otázky.

Co je kvantové počítání a jak ohrožuje kybernetickou bezpečnost

Zatímco dnešní kvantové počítače nám poskytly letmý pohled na to, čeho je technologie schopna, stále nedosáhla ani zdaleka svého maximálního potenciálu. Stále je to příslib bezuzdné moci, který zvyšuje problémy odborníků v oblasti kybernetické bezpečnosti. Dnes se dozvíme více o těchto obavách a krocích, které podnikají vědci k jejich řešení. Podívejme se tedy bez dalších okolků na to, co jsou kvantové počítače, jak fungují a co dělají vědci, aby zajistili, že to nebudou noční můry zabezpečení. Obsah + -

Co je to Quantum Computing?

Kvantové počítače jsou stroje, které využívají vlastnosti kvantové mechaniky, jako superpozice a zapletení, řešit složité problémy. Obvykle dodávají obrovské množství procesního výkonu, který je řádově vyšší než dokonce i největší a nejvýkonnější moderní superpočítače. To jim umožňuje řešit určité výpočetní problémy, jako je celočíselná faktorizace, podstatně rychleji než běžné počítače.

Představený v roce 2019, říká se, že 53kbitový procesor Sycamore společnosti Google dosáhl kvantové nadvlády a posunul hranice toho, co tato technologie dokáže. Údajně dokáže za tři minuty to, co by klasickému počítači trvalo asi 10 000 let. I když to slibuje velký pokrok pro výzkumné pracovníky v mnoha oblastech, vyvolalo to také nepříjemné otázky týkající se soukromí, na které se nyní vědci snaží řešit.

Rozdíl mezi kvantovými počítači a tradičními počítači

První a největší rozdíl mezi kvantovými počítači a tradičními počítači je ve způsobu, jakým kódují informace. Zatímco druhý kóduje informace v binárních „bitech“, které mohou být buď 0 s nebo 1 s, v kvantových počítačích je základní jednotkou paměti kvantový bit neboli „qubit“, jehož hodnota může být buď „1“ nebo „0“, nebo „1 AND 0“ současně. To se provádí pomocí „superpozice“ - základního principu kvantové mechaniky, který popisuje, jak mohou kvantové částice cestovat v čase, existovat na více místech najednou a dokonce se teleportovat.

Superpozice umožňuje dvěma qubitům reprezentovat čtyři scénáře současně, namísto sekvenční analýzy „1“ nebo „0“. Schopnost převzít více hodnot současně je hlavním důvodem, proč qubits významně zkracují čas potřebný na zhroucení datové sady nebo provádění složitých výpočtů.

Dalším významným rozdílem mezi kvantovými počítači a konvenčními počítači je absence jakéhokoli kvantového výpočetního jazyka jako takového. V klasických výpočtech závisí programování na počítačovém jazyce (AND, OR, NOT), ale u kvantových počítačů takový luxus neexistuje. Je to proto, že na rozdíl od běžných počítačů, nemají procesor ani paměť, jak ji známe. Místo toho existuje pouze skupina qubitů pro psaní informací bez složité hardwarové architektury na rozdíl od konvenčních počítačů.

V zásadě se jedná o relativně jednoduché stroje ve srovnání s tradičními počítači, ale stále mohou nabídnout energii, kterou lze využít k řešení velmi konkrétních problémů. U kvantových počítačů vědci obvykle používají algoritmy (matematické modely, které fungují také na klasických počítačích), které mohou poskytnout řešení lineárních problémů. Tyto stroje však nejsou tak univerzální jako běžné počítače a nejsou vhodné pro každodenní úkoly.

Potenciální aplikace kvantové práce na počítači

Kvantové výpočty stále nejsou vyspělým produktem, o kterém někteří věřili, že na konci minulého desetiletí bude. Stále však nabízí některé fascinující případy použití, zejména pro programy, které připouštějí polynomiální kvantové zrychlení. Nejlepším příkladem je nestrukturované vyhledávání, které zahrnuje vyhledání konkrétní položky v databázi.

Mnoho lidí také věří, že jedním z největších případů využití kvantové práce bude kvantová simulace, kterou je obtížné studovat v laboratoři a nelze ji modelovat pomocí superpočítače. To by teoreticky mělo pomoci pokroku v chemii i nanotechnologii, ačkoli samotná technologie stále není zcela připravena.

Další oblastí, která může těžit z pokroku v kvantové práci na počítači, je strojové učení. Zatímco výzkum v této oblasti stále probíhá, zastánci kvantových výpočtů věří, že lineární algebraická povaha kvantového výpočtu umožní vědcům vyvinout kvantové algoritmy, které mohou urychlit úkoly strojového učení.

To nás přivádí k jedinému nejvýznamnějšímu případu použití pro kvantové počítače - kryptografii. Ohnivou rychlost, s jakou mohou kvantové počítače řešit lineární problémy, nejlépe ilustruje způsob, jakým mohou dešifrovat kryptografii veřejného klíče. Je to proto, že kvantový počítač mohl efektivně vyřešit problém celočíselné faktorizace, problém diskrétního logaritmu a problém diskrétního logaritmu eliptické křivky, které společně podporují bezpečnost téměř všech kryptografických systémů veřejného klíče.

Je kvantovým výpočtem konec digitálního soukromí?

Všechny tři výše zmíněné kryptografické algoritmy jsou považovány za výpočetně neproveditelné s tradičními superpočítači a obvykle se používají k šifrování zabezpečených webových stránek, šifrovaného e-mailu a dalších typů dat. To se však mění u kvantových počítačů, které mohou teoreticky vyřešit všechny tyto složité problémy pomocí Shorova algoritmu, což v podstatě znemožňuje moderní šifrování vzhledem k možným útokům.

Skutečnost, že kvantové počítače mohou narušit veškeré tradiční digitální šifrování, by mohla mít významné důsledky pro elektronické soukromí a bezpečnost občanů, vlád a podniků. Kvantový počítač by mohl efektivně prolomit 3072bitový klíč RSA, 128bitový klíč AES nebo 256bitový klíč eliptické křivky, protože dokáže snadno najít jejich faktory tak, že je v podstatě sníží na pouhých 26 bitů.

Zatímco 128bitový klíč je prakticky nemožné prolomit v rámci proveditelného časového rámce i u nejvýkonnějších superpočítačů, 26bitový klíč lze snadno prolomit pomocí běžného domácího počítače. To znamená, že veškeré šifrování používané bankami, nemocnicemi a vládními agenturami se sníží na nulu, pokud škodliví činitelé, včetně nepoctivých národních států, budou moci postavit kvantové počítače, které jsou dostatečně velké a dostatečně stabilní, aby podporovaly jejich hanebné plány.

Pro globální digitální bezpečnost to však není všechno zkáza a pochmurnost. Stávající kvantové počítače postrádají výpočetní výkon, aby mohly prolomit jakýkoli skutečný kryptografický algoritmus, takže vaše bankovní údaje jsou zatím v bezpečí před útoky hrubou silou. Vedci navíc využívají stejnou schopnost, která může potenciálně zdecimovat veškerou moderní kryptografii veřejných klíčů, k vytvoření nové „postkvantové kryptografie“ odolné proti hackerům, která by mohla v příštích letech potenciálně změnit prostředí zabezpečení dat.

Prozatím se věří, že mnoho známých šifrovacích algoritmů veřejného klíče je zabezpečeno proti útokům kvantových počítačů. Mezi ně patří IEEE Std 1363.1 a OASIS KMIP, oba již popisují kvantově bezpečné algoritmy. Organizace se mohou také vyhnout potenciálním útokům z kvantových počítačů přepnutím na AES-256, který nabízí odpovídající úroveň zabezpečení proti kvantovým počítačům.

Výzvy zabraňující kvantové revoluci

Navzdory svému obrovskému potenciálu zůstaly kvantové počítače po celá desetiletí technologií „nové generace“, aniž by přešly na životaschopné řešení pro obecné použití. Má to několik důvodů a řešení většiny z nich se zatím ukázalo být nad rámec moderní technologie.

Zaprvé, většina kvantové počítače mohou pracovat pouze při teplotě -273 ° C (-459 ° F), zlomek stupně nad absolutní nulou (0 stupňů Kelvina). Jako by to nestačilo, vyžaduje téměř nulový atmosférický tlak a musí být izolován od magnetického pole Země.

Samotné dosažení těchto světských teplot je obrovskou výzvou, ale představuje také další problém. Elektronické komponenty potřebné k ovládání qubits nefungují za tak chladných podmínek a musí být udržovány na teplejším místě. Jejich propojení s teplotně odolným zapojením funguje pro rudimentární kvantové čipy, které se dnes používají, ale jak se tato technologie vyvíjí, očekává se, že složitost zapojení se stane obrovskou výzvou.

Po zvážení všeho budou vědci muset najít způsob, jak přimět kvantové počítače k ​​práci při rozumnějších teplotách, aby mohly tuto technologii rozšířit pro komerční využití. Naštěstí na tom fyzici již pracují a v loňském roce dvě sady vědců z University of New South Wales v Austrálii a QuTech v nizozemském Delftu zveřejnily práce, které tvrdí, že vytvořily kvantové počítače na bázi křemíku, které fungují plně stupeň nad absolutní nulou.

Ostatním z nás to příliš nezní, ale je to oslavováno jako zásadní průlom kvantových fyziků, kteří věří, že by to mohlo potenciálně ohlašovat novou éru této technologie. Je to proto, že (mírně) teplejší teplota by umožnila spojit qubits a elektroniku jako tradiční integrované obvody, což by je potenciálně zvýšilo.

Výkonné kvantové počítače, o kterých byste měli vědět

Vedle výše zmíněného 53kbitového procesoru Sycamore představil Google na ročním zasedání Americké fyzikální společnosti v Los Angeles v roce 2018 také bránový kvantový procesor s názvem „Bristlecone“. Společnost věří, že čip je schopen konečně přinést sílu kvantového výpočtu do hlavního proudu řešením „problémů ze skutečného světa“.

IBM také v roce 2019 představila svůj první kvantový počítač, Q, s příslibem umožnění „univerzálních kvantových počítačů“, které by mohly poprvé fungovat mimo výzkumnou laboratoř. Popsán jako první integrovaný kvantový výpočetní systém na světě pro komerční použití, je navržen tak, aby řešil problémy mimo dosah klasických počítačů v oblastech, jako jsou finanční služby, farmaceutika a umělá inteligence..

Společnost Honeywell International také oznámila, že vlastní kvantový počítač. Společnost loni v červnu oznámila, že vytvořila „nejvýkonnější kvantový počítač na světě“. Kvantový objem 64 je kvantový počítač Honeywell považován za dvakrát tak silný jako jeho nejbližší konkurent, což by mohlo přinést technologii z laboratoří k řešení reálných výpočetních problémů, jejichž řešení s tradičními počítači je nepraktické..

Kvantové výpočty: úsvit nové éry nebo hrozba pro digitální soukromí?

Rozdíl mezi kvantovými počítači a tradičními počítači je tak obrovský, že první z nich nemusí brzy nahradit druhý. Se správnou korekcí chyb a lepší energetickou účinností bychom však snad mohli do budoucna vidět všudypřítomné využití kvantových počítačů. A až se to stane, bude zajímavé sledovat, zda to ohlašuje konec digitální bezpečnosti, jak ji známe, nebo ohlašuje nový úsvit digitální kryptografie.

Očekáváte tedy, že kvantové počítače se brzy (relativně) stanou všudypřítomnými? Nebo je předurčeno zůstat v dohledné budoucnosti experimentální? Dejte nám vědět v komentářích níže. Pokud se také chcete dozvědět více o šifrování a kryptografii, podívejte se na naše odkazy níže:

• TKIP vs AES: Vysvětlení bezpečnostních protokolů Wi-Fi
• Co přesně je šifrování na vojenské úrovni
• Šifrujte USB disky a zabezpečte tak přenášená data
• 8 Nejlepší šifrovací software pro Windows