Czy jesteśmy już gotowi na całkowicie bezpieczną ewolucję?
Aby zrozumieć, dlaczego komputery kwantowe są takie szybkie, wyobraź sobie zwykły komputer jako bardzo sprawnego urzędnika biblioteki. Kiedy chce znaleźć książkę, przegląda kolejno każdą półkę. Jeśli jest dużo książek, zajmuje mu to sporo czasu. Komputer kwantowy, w tym porównaniu, potrafi spojrzeć na wszystkie półki naraz i natychmiast znaleźć poszukiwaną książkę. Jak to możliwe?
Kluczem do tej umiejętności jest coś, co nazywamy superpozycją. W tradycyjnym komputerze, najmniejszą jednostką informacji jest bit, który może być albo w stanie 0 albo 1. W komputerze kwantowym mamy kubit, który dzięki superpozycji może być jednocześnie w stanie 0 i 1. To trochę jakby kubit mógł czytać dwie strony książki jednocześnie, zamiast jednej.
Generalnie superpozycja pozwala cząstkom, takim jak elektrony, fotony czy nawet atomy, znajdować się w wielu stanach jednocześnie. Inaczej mówiąc, jeśli klasycznie cząstka mogłaby znajdować się w jednym z kilku możliwych stanów – na przykład w górze lub na dole – to dzięki zjawisku superpozycji w mechanice kwantowej cząstka ta może znajdować się w obu tych stanach równocześnie, dopóki nie zostanie zmierzona. Można to porównać do monety obracającej się w powietrzu, przed jej złapaniem. Podczas obrotu, moneta nie jest ani wyłącznie orłem, ani reszką, ale można powiedzieć, że jest w stanie superpozycji – jednocześnie orłem i reszką. Dopiero złapanie monety (pomiar) powoduje, że przyjmuje ona jeden konkretny stan.
|
Komputery kwantowe to nie tylko kolejny krok w rozwoju maszyn obliczeniowych. Są to urządzenia działające na zupełnie innych zasadach niż tradycyjne komputery. Wykorzystują one zjawisko superpozycji i splątania kwantowego, co pozwala im na jednoczesne przetwarzanie ogromnych ilości danych. |
Dodatkowo, komputery kwantowe wykorzystują zjawisko zwane splątaniem kwantowym (quantum entanglement), co pozwala kubitą współpracować w sposób, który jest trudny do wyobrażenia w klasycznej rzeczywistości. Jeśli dwa kubity są splątane, stan jednego z nich natychmiast wpływa na stan drugiego, bez względu na to, jak daleko od siebie się znajdują. Dzięki temu, komputery kwantowe mogą przetwarzać ogromne ilości danych naraz.
SUPERPOZYCJA ≡ SPLĄTANIE KWANTOWE Superpozycja dotyczy możliwości zajmowania przez cząstkę więcej niż jednego stanu naraz, podczas gdy splątanie kwantowe odnosi się do wzajemnych relacji i korelacji między stanami dwóch lub więcej cząstek. lub inaczej Superpozycja to jakby coś było w dwóch miejscach jednocześnie, a splątanie kwantowe to jak dwa przedmioty, nawet bardzo od siebie oddalone, które czują, co dzieje się z drugim. |
Wykorzystując superpozycję i splątanie, komputery kwantowe mogą przeprowadzać bardzo wiele obliczeń równocześnie. To jakby mieć możliwość jednoczesnego przeczytania każdej książki w bibliotece, zamiast wybierać i czytać je po kolei. Dla pewnych specyficznych zadań, takich jak faktoryzacja dużych liczb na czynniki pierwsze (co jest podstawą wielu metod szyfrowania) czy symulacje molekularne w chemii i fizyce, komputery kwantowe mogą znacząco przyspieszyć proces obliczeniowy.
Zdolności te mają znaczące konsekwencje dla kryptografii, umożliwiając tworzenie systemów szyfrowania, które nie tyle są szybsze, co niezwykle trudne do złamania. Wyobraź sobie, że chcesz wysłać komuś tajną wiadomość w magicznej skrzynce. Pojawia się tutaj pewien problem, polegający na tym, że musisz wysłać klucz do tej skrzynki, tak żeby tylko ten ktoś mógł ją otworzyć, a nikt inny, kto może próbować przechwycić ten klucz, nie mógł tego zrobić. W realnym świecie używamy do tego celu kryptografii klasycznej, a w świecie kwantowym wykorzystujemy coś, co nazywa się kryptografią kwantową.
|
Kryptografia kwantowa jest realna i stanowi dynamicznie rozwijającą się dziedzinę nauki i technologii. Wykorzystuje ona zjawiska mechaniki kwantowej, takie jak splątanie kwantowe i superpozycję, do tworzenia systemów kryptograficznych, które teoretycznie są nie do złamania przez tradycyjne metody obliczeniowe, a nawet przez komputery kwantowe. |
Wyobraź sobie teraz, że zamiast zwykłego klucza, masz magiczną parę kostek do gry, które działają w bardzo szczególny sposób, tj. kiedykolwiek rzucasz jedną kostką, druga kostka automatycznie pokazuje taki sam wynik, nawet jeśli znajduje się bardzo daleko. To trochę jak czary, ale w świecie kwantowym określamy to mianem splątania kwantowego.
|
Kwantowa dystrybucja klucza (QKD) Podstawą kryptografii kwantowej jest kwantowa dystrybucja klucza (QKD - Quantum Key Distribution), technologia umożliwiająca bezpieczne przesyłanie kluczy kryptograficznych między stronami. W QKD magiczne kostki można tutaj potraktować jak analogię do fotonów (cząstek światła), których stany kwantowe (np. polaryzacja) są splątane. Wysłanie jednej z tych kostek (fotonów) do drugiej osoby i jej ustawienie na pewną liczbę można porównać do przekazania stanu kwantowego jednego z fotonów splątanych, co wpływa na stan drugiego fotona bez względu na odległość między nimi. |
I teraz, aby wysłać komuś tajną wiadomość, wysyłasz jedną z tych magicznych kostek do tej drugiej osoby za pomocą bezpiecznego kuriera (Quantum Key Distribution - QKD). Teraz, gdy chcesz wysłać tajną wiadomość, po prostu ustawiasz swoją kostkę na pewną liczbę, a kostka tej drugiej osoby automatycznie pokaże tę samą liczbę. Kojeno, używacie tych liczb jako klucza do zaszyfrowania i odszyfrowania wiadomości.
|
Wykrywanie prób podsłuchu Gdy próbuje się przechwycić lub podmienić kwantowe informacje, następuje zmiana stanu kwantowego, która pełni funkcję sygnału alarmowego, informującego strony o potencjalnym zagrożeniu bezpieczeństwa, co pozwala użytkownikom stwierdzić, że ich przekaz został naruszony, zanim zostanie wykorzystany do przekazania poufnych informacji. Dzięki wykorzystaniu właściwości mechaniki kwantowej, QKD pozwala na wykrycie każdej próby podsłuchania przesyłanego klucza, co sprawia, że proces dystrybucji klucza jest niezwykle bezpieczny. |
Nawet jeśli ktoś przechwyci taką wiadomość, bez kostki nie będzie w stanie jej odczytać. Istotne w tym jest również to, że jeśli ktoś spróbuje przechwycić lub podmienić kostkę tej drugiej osoby po drodze (w trakcie QKD), magia kwantowa sprawi, że od razu się o tym dowiecie. To dlatego, że w kwantowym świecie nie można podglądać (obserwacja kwantowa lub pomiar kwantowy) takiej kostki bez zmiany jej stanu, bo to w naturlany sposób inicjuje sygnał alarmowy poprzez automatyczną zmianę widocznej na niej cyfry. W kontekście kryptografii kwantowej, to właśnie to zjawisko zapadania się stanu superpozycji sprawia, że nie można podglądać przekazywanych informacji bez zostawiania śladu. Jeśli ktoś próbuje skompromitować klucz kwantowy (magiczną kostkę) poprzez obserwację, to sam akt obserwacji zmienia stan kwantowy cząstek, które są używane do przekazywania klucza. To zmienienie stanu jest od razu zauważalne dla osób, które prawidłowo wymieniają klucze i działa jako rodzaj alarmu, informujący o próbie podsłuchu.
|
Zasada nieoznaczoności Heisenberga i zmiana stanu przy pomiarze W kwantowym świecie, próba zmierzenia lub zaobserwowania stanu kwantowego fotonu (podglądanie kostki) nieuchronnie prowadzi do zmiany tego stanu. |
Czy faktycznie kryptografia kwantowa zapewnia obecnie pełne bezpieczeństwo?
Zasady mechaniki kwantowej, w szczególności zjawiska takie jak splątanie kwantowe i superpozycja, umożliwiają teoretycznie realizację bezprecedensowo bezpiecznych metod przesyłania informacji, np. poprzez tzw. kwantową dystrybucję klucza (QKD). Proces QKD potencjalnie zapewnia, że każda próba przechwycenia lub podsłuchu komunikacji jest natychmiast wykrywalna przez legalnych uczestników. Istota bezpieczeństwa tego rozwiązania leży w tym, że jakakolwiek nieautoryzowana interwencja w system kwantowy zmienia stan systemu, co może być łatwo zauważone przez uczestników wymiany klucza.
|
Implementacja kryptografii kwantowej na szeroką skalę wciąż napotyka techniczne i inżynieryjne wyzwania. Wiąże się to z potrzebą bardzo niskich temperatur do działania kubitów kwantowych oraz trudnościami związanymi z przesyłaniem stanów kwantowych na duże odległości. |
Jednakże, pełne bezpieczeństwo systemu QKD zależy od szeregu warunków, w tym od całkowitej kontroli nad ilością produkowanych i wykorzystywanych w procesie cząstek. W scenariuszu, w którym generowane są dodatkowe cząstki poza wiedzą i kontrolą legalnych użytkowników – na przykład przez osobę trzecią próbującą przeprowadzić atak na komunikację – istnieje ryzyko, że taki atak może pozostać niewykryty. To dlatego, że mechanizmy wykrywające ingerencję w komunikację kwantową, jakie oferuje QKD, opierają się na założeniu, że wszelkie anomalie w wynikach pomiarów są wynikiem próby podsłuchu. Jeśli jednak atakujący jest w stanie wygenerować i kontrolować dodatkowe cząstki w taki sposób, że nie wpłynie to na mierzone przez uczestników statystyki, tradycyjne metody wykrywania podsłuchu mogą okazać się nieskuteczne.
|
Kompleksowe bezpieczeństwo systemów kwantowych wymaga nie tylko zaawansowanej technologii i starannie zaprojektowanych protokołów komunikacyjnych, ale również transparentności i zaufania do procesu produkcyjnego urządzeń kwantowych. |
Wygenerowanie takich dodatkowych cząstek może zostać ukryte już na etapie produkcji urządzeń kwantowych, co z kolei może otworzyć drzwi dla zaawansowanych metod ataku, umożliwiając nieautoryzowany dostęp do przesyłanych informacji bez wywoływania podejrzeń. Taka możliwość podkreśla znaczenie nie tylko wymagań co do technicznej doskonałości urządzeń kwantowych, ale również konieczność wprowadzenia ścisłych audytów bezpieczeństwa i protokołów weryfikacyjnych na wszystkich etapach projektowania, produkcji i dystrybucji, aby zapewnić nieskazitelność i odporność systemów kwantowych na potencjalne manipulacje.
|
Bezpieczeństwo przesyłania informacji metodą kwantową, taką jak QKD, zależy od ścisłej kontroli nad wszystkimi cząstkami w systemie, gdyż niezauważone generowanie dodatkowych cząstek przez osobę trzecią może umożliwić nieautoryzowany dostęp do komunikacji bez wykrycia. |
Z tego powodu, choć mechanika kwantowa oferuje potencjalnie niezrównane środki bezpieczeństwa, realizacja praktycznych, absolutnie bezpiecznych systemów QKD wymaga nie tylko zaawansowanej technologii, ale także rygorystycznych protokołów operacyjnych, które zapewniają pełną kontrolę i przejrzystość procesu generowania, przesyłania i pomiaru kwantowych stanów cząstek. Tylko wtedy, gdy wszelkie aspekty systemu są odpowiednio zabezpieczone i monitorowane, można 'powiedzmy' zagwarantować poziom bezpieczeństwa, który teoretycznie jest możliwy do osiągnięcia dzięki zasadom świata kwantowego.
|
Pomimo różnych niedoskonałości i problemów z kryptografią kwantową, to jednak jej rozwój znacząco przyczynia się do zainteresowania bezpieczeństwem w erze komputerów kwantowych, które bez wątpienia zagrażają bezpieczeństwu obecnych systemów kryptograficznych opartych na trudnych do rozwiązania problemach matematycznych, takich jak faktoryzacja dużych liczb całkowitych wykorzystywana w RSA. |
Warto też podkreślić, że poza problemem generowania ukrytej cząstki, również tworzenie i utrzymanie stanów superpozycji oraz splątania jest niezwykle trudne. Przykładowo, kubit musi być izolowany od wszelkich zewnętrznych zakłóceń, co w praktyce oznacza pracę w ekstremalnie niskich temperaturach i stabilnych warunkach. Ponadto, istnieje wyzwanie związane z tzw. błędami kwantowymi, które mogą zakłócać obliczenia. Naukowcy na całym świecie pracują nad sposobami radzenia sobie z tymi problemami, aby uczynić komputery kwantowe praktycznym i dostępnym narzędziem, jednak nie zmiania to faktu, że aktualnie takie problemy występują.
|
Błędy kwantowe powstają, kiedy delikatne stany kubitów w komputerach kwantowych są zakłócane przez otoczenie, na przykład przez dekoherencję, która sprawia, że kubity tracą swoje kwantowe właściwości, zakłócenia termiczne wprowadzające "szum" do systemu, czy błędy pomiaru, które utrudniają dokładne odczytywanie stanów kubitów. Te zakłócenia mogą znacząco wpłynąć na dokładność obliczeń kwantowych, dlatego naukowcy poszukują sposobów, by zminimalizować te błędy i uczynić komputery kwantowe bardziej stabilnymi i niezawodnymi. |
Oprócz problemu potencjalnie ukrytych cząstek, istnieje kilka innych zagrożeń i wyzwań, z którymi musi się zmierzyć zarówno kryptografia kwantowa, jak i rozwój komputerów kwantowych. Do pierwszych z nich należy tzw. dekoherencja kwantowa, która powoduje, że kubity tracą swoje stany kwantowe zbyt szybko, co prowadzi do błędów w obliczeniach kwantowych. Innym problemem jest skalowalność komputerów kwantowych, gdzie aktualne technologie pozwalają na budowę systemów zawierających kilkadziesiąt lub kilkaset kubitów, podczas gdy dla wielu zastosowań potrzebne są systemy z tysiącami lub nawet milionami kubitów. Błędy w obliczeniach kwantowych mogą być również wywoływane przez różne zakłócenia, takie jak fluktuacje temperatury, pola magnetyczne, wibracje sprzętu, czy nawet niewielkie interakcje z otoczeniem, które razem wpływają na delikatne stany kubitów, prowadząc do potencjalnych nieprawidłowości w wynikach. Kolejnym problemem są znaczne koszty i zasoby niezbędne do rozwoju i utrzymania infrastruktury kwantowej, co obecnie ogranicza dostępność tych technologii głównie do ośrodków badawczych i dużych korporacji. Innym problemem jest dostępność i dystrybucja tego typu rozwiązań, ponieważ w naturalny sposób zapewnienie szerszego dostępu do tych zaawansowanych technologii, jest niezbędne dla ich powszechnego przyjęcia i wykorzystania.
Na pocieszenie można tylko stwierdzić, że istnieje wiele teoretycznych i praktycznych badań nad dodatkowymi metodami zabezpieczeń, które mogą zapobiec lub wykryć inne, bardziej wyrafinowane próby zakłócenia kwantowej komunikacji. Świat kwantowy otwiera więc nowe możliwości nie tylko dla szyfrowania informacji, ale także dla wykrywania i zapobiegania nieautoryzowanemu dostępowi do tych danych.
Technologia kwantowa zwiastuje rewolucję, oferując bezprecedensowe poziomy bezpieczeństwa cyfrowego. Jednak pełne wykorzystanie jej możliwości wymaga głębokiego zrozumienia i rozwiązania potencjalnych zagrożeń, takich jak ukryte cząstki, które mogą podważyć to bezpieczeństwo. Kluczem do sukcesu będzie znalezienie równowagi między innowacją a ostrożnością, aby zapewnić, że przyszłość cyfrowa będzie bezpieczna dla wszystkich. Wspólne wysiłki w dziedzinie badań i rozwoju mogą nas zbliżyć do osiągnięcia tego celu, otwierając drogę do nowej ery w bezpieczeństwie informacji.
"Ukryta dodatkowa cząstka w systemie kwantowym jest niczym koń trojański w cyberbezpieczeństwie, bo choć niewidoczna i niezauważalna, może podważyć fundamenty bezpieczeństwa, umożliwiając nieautoryzowany dostęp do najbardziej strzeżonych tajemnic."
własny
Uwaga
Zamieszona treść ma wyłącznie charakter informacyjno-edukacyjny i nie może być wykorzystana w jakikolwiek sposób niezgodny z prawem. Przed zastosowaniem się m.in. do wskazówek i porad zawartych w artykule należy bezwzględnie skonsultować się z ekspertem i/lub skorzystać z usług prawnika. Informacje zawarte w niniejszym artykule zostały zebrane i przedstawione w dobrej wierze i na podstawie źródeł uznanych za wiarygodne, jednak autor nie ponosi odpowiedzialności za kompletność, aktualność oraz rzetelność zamieszczonych informacji, które mogą być przedstawione w formie niepełnej, skróconej lub mogą być przedawnione. Autor artykułu nie ponosi żadnych konsekwencji wynikających z wykorzystania informacji zawartych w niniejszym poście.
Źródło:
- https://quantumxc.com/blog/quantum-computing-impact-on-cybersecurity/
- https://cloudsecurityalliance.org/research/topics/quantum-safe-security
- https://www.cisa.gov/quantum
- https://insights.sei.cmu.edu/blog/cybersecurity-of-quantum-computing-a-new-frontier/
- https://xiphera.com/post-quantum-cryptography/
- https://www.cyber.gc.ca/sites/default/files/cyber/publications/ITSE.00.017.pdf
Przeczytaj również: Trendy i środki ochrony w Cyberbezpieczeństwie w 2024 roku, Jak zaawansowane AI zmienia pole walki z cyberzagrożeniami w 2024, Czy faktycznie WhatsApp, Messenger, Telegram i Signal chronią Twoje sekrety?, Pułapki na subskrybentów w Internecie i sposoby ich unikania, Wektor ataku APT przy wysyłaniu CV e-mailem, Narzędzia hackerskie w praktyce, Bezpieczeństwo smartfonów z systemem iOS i Android
Publikacja jest dostępna na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe, pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów i machnacz.eu. Zezwala się na dowolne wykorzystywanie treści publikacji pod warunkiem wskazania autora (Andrzej Machnacz, machnacz.eu) i podania informacji o licencji.
Autor tego artykułu dostarcza kompleksowe usługi w dziedzinie IT i konsultingu, wykorzystując najnowocześniejsze technologie, w tym sztuczną inteligencję (AI), aby zapewnić ochronę przed współczesnymi zagrożeniami cyfrowymi. Specjalizując się w cyberbezpieczeństwie, oferuje rozwiązania skoncentrowane na zabezpieczeniu infrastruktury IT, danych osobowych i informacji poufnych. Dzięki posiadanej eksperckiej wiedzy z obszaru szyfrowania, analizy danych i strategii obronnych, zapewnia usługi dopasowane do indywidualnych potrzeb. Ponadto, jego działalność obejmuje edukację użytkowników na temat najlepszych praktyk w cyberprzestrzeni, aby zwiększyć świadomość potencjalnych zagrożeń i metod ich unikania.
Jeżeli poszukujesz wsparcia w obszarze cyberbezpieczeństwa, ochrony danych lub innych usług informatycznych opartych na AI, zachęcam do kontaktu.
Kontakt:
- E-mail:Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
- Strona internetowa: itbrain.pl
- LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/andrzejmachnacz/
