Как квантовата физика може да подобри криптирането

С развитието на квантовите изчисления ще се появят неописуеми повишения в компютърните възможности, и системите, които използваме да защитават данните ни (и демократичните ни действия) ще станат дори по-уязвими. Но все още има време да се защитим от предстоящия информационен апокалипсис твърди специалистът по криптиране Викрам Шарма. Научи повече за това как той се бори срещу квант с квант: проектирайки защитни устройства и програми, които използват силата на квантовата физика да предпазят от най-добрите нападения.

Напоследък виждаме последствията
от кибер атаки в света на бизнеса.

Пробиви в данните на компании като
JP Morgan, Yahoo, Home Depot и Target

са причинили загуби от стотици милиони

и в някои случаи, милиарди долари.

Не са нужни много големи набези, за да се
разруши световната икономика.

Публичният сектор също не е неприкосновен.

От 2012 до 2014,

имаше значителен пробив до данни на
службата за управление на персонала на САЩ.

Достъпи на сигурност и данни за
пръстови отпечатъци бяха компрометирани,

засягайки 22 млн. служители.

И може да сте чули за опита от държавно
спонсорирани хакери да използват

открадната информация, за да повлияят
на изборни резултати в няколко страни.

Два скорошни примера за компрометиране
на голямо количество данни

са от Бундестага,
националният парламент на Германия,

и кражбата на имейли от
Демократичния национален комитет на САЩ.

Кибер заплахата вече засяга
демократичните ни процеси.

И вероятно ще стане по-зле.

С придобиването на повече сила от
компютърните технологии,

системите, които използваме да пазят
данните ни, стават по-уязвими.

Засилващ притеснението е нов
тип компютърна технология,

наречен квантово изчисление,

който използва микроскопични
свойства на природата

да достави неописуеми повишения
в компютърната сила.

Толкова е мощна, че би разкодирало доста
от криптиращите системи,

които използваме днес.

Безнадеждна ли е ситуацията?

Трябва ли да съберем своето оборудване
за дигитално оцеляване

и да се подготвим за предстоящ
информационен апокалипсис?

Бих казал, не все още.

Квантовото изчисление е
още в лабораториите

и ще отнеме няколко години преди
да се използва в практически приложения.

По-важното е, че

има голям напредък в сферата на
криптирането.

За мен, това е особено вълнуващо време

в историята на защитените комуникации.

Около преди 15 години,

когато научих за новооткритата
ни способност

да създаваме квантови ефекти, които
не съществуват в природата,

бях развълнуван.

Мисълта да прилагаме основните
физични закони,

за да правим криптирането по-добро

силно ме интригуваше.

Днес, избрани компании и лаборатории
по света, включително моята,

развиват тази технология за
практически приложения.

Точно така.

Подготвяме се да борим квант с квант.

Как сработва това?

Ами, първо, нека направим бърз оглед
на света на криптирането.

За тази цел ще ни трябва куфарче,

някои важни документи, които искате да
изпратите на приятеля си, Джеймс Бонд,

и ключалка, която да ги пази.

Тъй като документите са свръх секретни
ще използваме усъвършенствано куфарче.

Има специална ключалка с код,

която, когато се затвори,

преобразува целия текст на документите в
произволни символи.

Слагате документите си вътре,
заключвате ключалката,

и тогава документите се преобразуват
в случайни символи,

и изпращате куфарчето на Джеймс.

Докато то пътува,
му се обаждате и му давате кода.

Щом получи куфарчето, той набира кода,

документите се пренареждат, и воала,

току-що сте изпратили кодирано съобщение
на Джеймс Бонд.

(Смях)

Забавен пример, но показва три важни
за криптирането неща.

Кодът - наричаме го криптиращ ключ.

Може да си го представите като парола.

Обаждането до Джеймс да му дадем
кода за ключалката.

Наричаме това размяна на
криптиращи ключове.

Така се уверяваме, че

доставяме криптиращия ключ безопасно
до правилното място.

А ключалката, която кодира и
декодира документите.

Наричаме я криптиращ алгоритъм.

Използвайки ключа, тя криптира текстът
в документите

на произволни символи.

Добрият алгоритъм така ще криптира,

че без ключа е изключително трудно
да се подреди.

Това, което прави криптирането
толкова важно,

е че, ако някой открадне куфарчето
и го среже,

без криптиращия ключ и
кодиращия алгоритъм,

не би могъл да прочете документите.

Те биха изглеждали като нищо повече от
шепа произволни знаци.

Повечето системи за сигурност разчитат на
защитен начин за размяна на ключа

за предаването на криптиращия ключ
до правилното място.

Бързото развитие на
компютърните възможности, обаче,

излага на опасност част от методите за
предаване на ключа понастоящем.

Например една от най-широко
разпространените системи днес - RSA.

Когато е създадена през 1977,

е изчислено, че са необходими 40
квадрилиона години

да се разбие 426-битовия RSA ключ.

През 1994, само 17 години по-късно,

кодът е разшифрован.

С развитието на компютрите

е трябвало да използваме
все по-дълги кодове.

Днес рутинно използваме
2048 или 4096 бита.

Както виждате, създателите на кодове и
разбивачите са в продължаваща война

да надвият един друг.

И когато квантовите компютри пристигнат
през следващите 10 до 15 години,

дори по-бързо ще разнищват
сложната математика,

която е основа на множество от нашите
настоящи криптиращи системи.

Наистина, квантовият компютър вероятно
ще превърне сегашният ни защитен замък

в проста къщичка от карти.

Трябва да открием начин да
защитим замъка си.

Последните години нарастват
проучванията, разглеждащи

употребата на квантови
ефекти за подсилване на криптирането.

Има впечатляващи открития.

Помните ли трите важни неща
за криптирането -

висококачествени ключове, безопасно
предаване на ключа и сложен алгоритъм?

Е, пробив в науката и инженерството

поставят две от тези три в опасност.

Преди всичко, тези ключове.

Произволните символи са основоположни
за криптиращите ключове.

Но понастоящем те не са
действително случайни.

Правим криптиращите ключове

от поредици от случайни знаци,
генерирани от софтуер,

така наречените псевдо-произволни символи.

Символите, генерирани от програма
или от математическа рецепта

имат някои, може би едва доловими,
последователности в себе си.

Колкото по-неслучайни са знаците

или в научни термини, колкото по-малко
ентропия съдържат,

толкова по-лесни са за предсказване.

Наскоро, няколко казина са станали жертва
на изобретателни нападения.

Резултатът от слот машините е записван
за известно време

и впоследствие анализиран.

Това позволило на кибер престъпниците

да обърнат действието на генератора
за псевдо-произволни числа

зад въртящите се колела.

И им позволило, с голяма точност,
да предскажат резултатите,

давайки им възможност да
направят значителни печалби.

Сходни опасности са приложими
при криптиращите ключове.

Та, реален генератор на случайни символи е
от голямо значение за сигурното криптиране

С години изследователи опитват да създадат
истински генератор на случайни символи,

но повечето модели до днес или
не са достатъчно произволни,

достатъчно бързи или не
са лесни за репликиране.

Но квантовият свят действително
е хаотичен.

Така че има смисъл да се възползваме
от тази присъща случайност.

Устройства, които
мерят квантовите ефекти

могат да произведат безкрайна поредица
от произволни символи с висока скорост.

Премахвайки всички онези
казино престъпници.

Избрана група университети
и компании по света

се фокусират над създаване на
истински генератор на случайни символи.

В моята фирма, нашият генератор
на случайни символи,

се роди на 2м х 3м оптична маса.

После успяхме да го намалим до
размер на сървърна кутия.

Днес, то е миниатюризирано до PCI карта,
която се включва в стандартен компютър.

Това е най-бързият реален генератор
на случайни символи в света.

Измерва квантови ефекти, за да произведе
милиард случайни символи в секунда.

И понастоящем работи към подобряване
на безопасността при

доставчици на клауд услуги,
банки и държавни служби

по света.

(Аплодисменти)

Но дори с реален генератор на
случайни символи,

все още я има втората значителна
кибер заплаха:

проблемът с безопасна размяна на ключа.

Сегашните техники за размяна
не биха удържали срещу квантов компютър.

Квантовото решение на този казус

се нарича дистрибуция на
квантов ключ или QKD,

което предоставя съществена,
парадоксална характеристика

на квантовите механизми.

Самият акт на наблюдение на
квантова частица я променя.

Нека ви дам пример как действа това.

Представете си отново как разменяме
кода за ключалката с Джеймс Бонд.

Но този път вместо да дадем на
Джеймс кода по телефона,

ще използваме квантовите ефекти
върху лазер, за да пренесем кода

и да го пратим по обикновен
оптичен кабел до Джеймс.

Предполагаме, че Д-р Ноу опитва
да хакне размяната.

За щастие, опитът на Д-р Ноу да прихване
квантовите ключове, докато се предават,

ще остави отпечатъци, които
Джеймс и вие можете да видите.

Това позволява засечените ключове
да бъдат захвърлени.

Оставащите ключове

могат да се използват да осигурят
сериозна защита на данните.

И тъй като защитата се осланя на
основните физични закони,

квантов компютър, или даже всеки
бъдещ супер компютър,

няма да може да я преодолее.

Екипът ми и аз сътрудничим с
водещи университети

и отбранителния сектор,

за да развием тази вълнуваща технология

в следващо поколение на продукти
за защита.

Интернетът на обектите (ИО) оповестява
ерата на хипер свързаността

с предвидени 25 до 30 млд. свързани
устройства до 2020.

За правилното действие на обществото
ни в света на ИО,

вярата в системите, които поддържат тези
свързани устройства, е жизненоважна.

Обзалагаме се, че квантовите технологии ще
са съществени за предоставяне на тази вяра

позволявайки ни напълно да се възползваме
от невероятните иновации,

които определено ще подобрят живота ни.

Благодаря ви.

(Аплодисменти)