U ratu za informacije, hoće li kvantni kompjuteri poraziti kriptografe?

Dok zaviruje u našu tehnološku budućnost, kriptograf Kreg Kostelo raspravlja o potencijalu kvantnih kompjutera da promene svet, što bi moglo da razori ograničenja koja su postavile naše današnje mašine, pružajući tako razbijačima šifri univerzalni ključ za digitalni svet. Pogledajte kako se Kostelo i njegove kolege kriptografi utrkuju da nanovo osmisle enkripciju i zaštite internet.

Radim u oblasti zaštite tajni,

a to podrazumeva vaše tajne.

Kriptografi su prva linija odbrane

u ratu koji već vekovima bukti:

ratu između tvoraca šifri

i razbijača šifri.

A radi se o ratu za informacije.

Savremeno ratište
za informacije je digitalno.

I zbiva se na vašim telefonima,

kompjuterima

i internetu.

Naš posao je da stvorimo sisteme

koji šifruju vaše mejlove
i brojeve kreditnih kartica,

vaše telefonske pozive i tekstovne poruke,

a to uključuje i one pikantne selfije -

(Smeh)

kako bi sve ove informacije
mogle da budu dešifrovane

od strane primaoca kome su namenjene.

Sve do nedavno,

smatrali smo da smo za svagda
pobedili u ovom ratu.

Trenutno svi vaši pametni telefoni
koriste enkripciju

koju smo smatrali nesalomivom
verujući da će tako i da ostane.

Pogrešili smo

jer stižu kvantni kompjuteri,

a oni će u potpunosti
da izmene pravila igre.

Kroz istoriju, kriptografija
i razbijanje šifri

su oduvek bili igra mačke i miša.

Tokom 1500-ih,

kraljica Meri od Škotske je mislila
da šalje šifrovana pisma

koja jedino njeni vojnici
mogu da dešifruju.

Međutim, kraljica Elizabeta od Engleske

je imala razbijače šifri
koji su pomno radili.

Dešifrovali su Merina pisma,

videli da pokušava da ubije Elizabetu

i stoga su odsekli Merinu glavu.

Nekoliko vekova kasnije,
u Drugom svetskom ratu,

nacisti su komunicirali
upotrebom šifre Enigma,

daleko komplikovanije enkripcijske sheme
koju su smatrali nesalomivom.

No, onda je dobri stari Alan Tjuring,

isti tip koji je izumeo ono što sada
nazivamo modernim kompjuterom,

napravio je mašinu
i koristio je da dešifruje Enigmu.

Dešifrovao je nemačke poruke

i pomogao u slamanju Hitlera
i njegovog Trećeg rajha.

I tako se odvijala priča vekovima.

Kriptografi unaprede enkripciju,

a onda razbijači šifri uzvrate udarac
i pronađu način da je dešifruju.

Ova ratna razmena je bila prilično tesna.

Sve do 1970-ih

kada su neki kriptografi
napravili ogroman pronalazak.

Otkrili su izuzetno moćan način enkripcije

nazvan „asimetrična kriptografija”.

Nasuprot svim prethodno korišćenim
metodama kroz istoriju, ova ne zahteva

da dve strane koje žele da pošalju
jedna drugoj poverljive informacije

moraju da prethodno razmene tajni ključ.

Čarolija asimetrične kriptografije
je u tome što nam omogućuje bezbednu vezu

s bilo kim u svetu,

bilo da smo prethodno
razmenili podatke ili ne.

A obavlja to toliko brzo da vi i ja
ni ne shvatamo da se dešava.

Bilo da šaljete poruku prijatelju
da izađete na pivo

ili ste banka koja prebacuje
milijarde dolara drugoj banci,

moderna enkripcija nam omogućuje
da bezbedno šaljemo podatke

brzinom milisekundi.

Briljantna ideja zbok koje
je ova magija moguća

se zasniva na teškim
matematičkim problemima.

Kriptografi su suštinski zainteresovani
za ono što digitroni ne mogu.

Na primer, digitroni mogu da množe
bilo koja dva broja koja poželite,

bez obzira na veličinu.

No, vraćajući se na drugi način -

započinjući proizvodom a onda pitanjem:

„Koja dva broja pomnožena
daju ovaj broj?” -

zapravo se radi o uistinu teškom problemu.

Ukoliko bih vam zatražio da otkrijete koji
dvocifreni brojevi pomnoženi daju 851,

čak i sa digitronom,

većini ljudi u ovoj prostoriji
bi bilo teško da otkriju odgovor

do kraja mog govora.

A ako malo povećam brojeve,

onda nema tog digitrona na svetu
koji može to da reši.

Zapravo, čak bi najbržem
superkompjuteru na svetu

trebalo više od životnog veka univerzuma

da otkrije dva broja
koja pomnožena daju ovaj broj.

A ovaj problem se naziva
„rastavljanjem na faktore”,

a to je baš ono što svaki vaš
pametni telefon i laptop trenutno koristi

da bi vaši podaci bili bezbedni.

Radi se o osnovi savremene enkripcije.

A činjenica da ni sve kompjuterske sile
na planeti zajedno ne mogu da je reše

je razlog zašto smo mi kriptografi
smatrali da smo pronašli način

da za svagda budemo
ispred razbijača šifri.

Možda smo postali malčice drski

jer baš kad smo pomislili
da smo dobili rat,

gomila fizičara iz XX veka
se pridružila zabavi

i otkrili su da zakoni univerzuma,

isti oni zakoni na kojima
počiva savremena kriptografija,

nisu ono što smo mislili da jesu.

Mislili smo da jedan objekat ne može
da bude na dva mesta istovremeno.

Nije tako.

Mislili smo da nije moguće da se nešto
okreće u pravcu kazaljke na satu i obratno

istovremeno.

Međutim, to nije tačno.

I mislili smo da dva objekta
na suprotnim stranama univerzuma,

udaljeni svetlosnim godinama
jedan od drugog,

ne mogu nikako da istovremeno
utiču jedan na drugog.

Opet nismo bili u pravu.

I zar se ne čini da je tako uvek u životu?

Baš kad pomislite da ste sve rešili,
da je sve potaman,

gomila fizičara dođe

i otkriju da su osnovni zakoni
univerzuma potpuno drugačiji

nego što ste mislili?

(Smeh)

I to sve zezne.

Vidite, u sićušnoj subatomskoj oblasti,

na nivou elektrona i protona,

klasični zakoni fizike,

koje svi znamo i volimo,

potpuno otpadaju.

A baš tu nastupaju
zakoni kvantne mehanike.

U kvantnoj mehanici

elektron može istovremeno da se obrće
u pravcu kazaljke na satu i obratno,

a proton može da bude
na dva mesta istovremeno.

Zvuči kao naučna fantastika,

ali to je tako zbog sumanute
kvantne prirode našeg univerzuma

koja se skriva od nas.

I bila je skrivena od nas sve do XX veka.

Međutim, sad kad smo je otkrili,
čitav svet je u trci

da sagradi kvantni kompjuter -

kompjuter koji može da upregne
ovo čudno i uvrnuto kvantno ponašanje.

To su toliko revolucionarne stvari

i toliko moćne

da će zbog njih današnji
najbrži superkompjuteri

da izgledaju beskorisno.

Zapravo, za određene probleme
koji su nam od velikog značaja,

današnji najbrži superkompjuter
je bliži računaljci

nego kvantnom kompjuteru.

Tako je, govorim o onim
drvenim stvarčicama s kuglicama.

Kvantni kompjuter može da simulira
hemijske i biološke procese

koji su van domašaja
naših klasičnih kompjutera.

I kao takvi, obećavaju da će da reše
neke od najvećih problema naše planete.

Pomoći će nam da pobedimo svetsku glad,

da se bavimo klimatksim promenama,

da pronađemo lek za bolesti i pandemije
za kojima smo do sad bezuspešno tragali,

da stvorimo nadljudsku
veštačku inteligenciju

i, ono što je možda i važnije
od svega ostalog,

pomoći će nam da razumemo
samu prirodu univerzuma.

Međutim, s ovim izvanrednim potencijalom

ide i izvanredan rizik.

Sećate se velikih brojeva
o kojima sam pre govorio?

Ne govorim o 851.

Zapravo, ukoliko neko
ne može da se koncentriše

jer pokušava da otkrije činioce,

rešiću vas muka i reći ću vam
da je to 23 puta 37.

(Smeh)

Govorimo o mnogo većem broju
koji je išao posle.

Dok današnji najbrži superkompjuter
ne bi mogao da nađe te činioce

tokom životnog veka univerzuma,

kvantni kompjuter bi sa lakoćom
mogao da rastavi na činioce

daleko, daleko veće brojeve.

Kvantni kompjuter će da dešifruje
svu enkripciju koju trenutno koristimo

da se zaštitimo od hakera.

I učiniće to s lakoćom.

Dozvolite da se izrazim ovako:

kad bi kvantni kompjuter bio koplje,

onda bi savremena enkripcija,

baš taj nesalomivi sistem
koji nas je štitio decenijama,

bila poput štita od papirne maramice.

Svako sa pristupom kvantnom kompjuteru
će da ima univerzalni ključ

da otključa sve što poželi
u našem digitalnom svetu.

Mogli bi da kradu novac iz banki

i da kontrolišu ekonomije.

Mogli bi da iseku struju u bolnicama
ili da ispale nuklearku.

Ili bi mogli prosto da sednu
i posmatraju sve nas preko naših kamera

a da niko od nas ne zna da se to dešava.

Elementarna informaciona jedinica
na svim kompjuterima na koje smo navikli,

poput ovoga,

naziva se „bit”.

Jedan bit može da bude
u jednom od dva stanja:

može da bude nula ili jedinica.

Kada preko Fejs tajma razgovaram
s mamom koja je na drugoj strani sveta -

ubiće me zbog ovog slajda -

(Smeh)

mi zapravo međusobno razmenjujemo
duge nizove nula i jedinica

koji poskakuju od kompjutera
do kompjutera, od satelita do satelita,

prenoseći naše podatke velikom brzinom.

Bitovi su trenutno veoma korisni.

Zapravo, sve što trenutno
radimo s tehnologijom

dugujemo praktičnosti bita.

Međutim, počinjemo da uviđamo

da su bitovi zaista loši za simulaciju
složenih molekula i čestica.

A razlog za to je, na neki način,

što subatomski procesi mogu da obavljaju
dve ili više suprotnih stvari istovremeno

dok prate bizarna pravila
kvantne mehanike.

U kasnom prošlom veku,

nekim izuzetno pametnim fizičarima
je pala na pamet genijalna ideja

da prave kompjutere zasnovane

na prinicipima kvantne mehanike.

Elementarna informaciona jedinica
kvantnog kompjutera

se naziva „kubit”,

što je u prevodu „kvantni bit”.

Umesto da ima samo dva stanja,
poput nule ili jedinice,

kubit može da ima beskonačan broj stanja.

A to znači da je kubit
nekakva kombinacija i nule i jedinice

istovremeno.

Ovu pojavu nazivamo „superpozicijom”.

A kada imamo dva kubita u superpoziciji,

zapravo imamo posla
sa sve četiri kombinacije

nula-nula, nula-jedan,
jedan-nula i jedan-jedan.

Kod tri kubita,

na delu imamo superpoziciju
sa osam kobinacija

i tako dalje.

Svaki put kada dodamo samo jedan kubit,
udvostručimo broj kombinacija

koje deluju u superpoziciji

istovremeno.

Kada uvećamo razmere upotrebe kubita,

možemo da imamo na delu
eksponencijalan broj kombinacija

istovremeno.

A ovo samo nagoveštava moć
koja počiva u kvantnim kompjuterima.

Kod savremene enkripcije,

naše tajne šifre, poput
dva proizvoda tog velikog broja,

one su tek dugi nizovi nula i jedinica.

Da bi ih dešifrovao,

klasični kompjuter mora da proveri
svaku kombinaciju pojedinačno,

jednu za drugom,

sve dok pronađe onu koja deluje
i razbije našu enkripciju.

Međutim, sa kvantnim kompjuterom

i uz dovoljan broj kubita u superpoziciji,

možemo da izdvojimo informacije
iz svih kombinacija istovremeno.

U svega nekoliko koraka,

kvantni kompjuter može da odstrani
sve netačne kombinacije,

da se ustremi na tačne

i da potom otključa naše dragocene tajne.

Sad, na sumanutom kvantnom nivou,

ovde se nešto uistinu neverovatno dešava.

Konvencionalna mudrost
koju poseduju mnogi vodeći fizičari -

i morate da ostanete prisebni
dok ovo izgovaram -

glasi da svaku kombinaciju zapravo
proverava njen lični kvantni kompjuter

unutar sopstvenog paralelnog univerzuma.

Sve ove kombinacije
se nadovezuju poput talasa u bazenu.

Netačne kombinacije

se međusobno poništavaju.

A tačne kombinacije

se međusobno snaže i pojačavaju.

Pa na kraju programa kvantnog kompjutera

sve što preostaje je tačan odgovor

koji možemo da opazimo
ovde u ovom univerzumu.

Sad, ukoliko vam sve ovo
i nema baš smisla, bez brige.

(Smeh)

U dobrom ste društvu.

Nils Bor, jedan od pionira u ovoj oblasti

je jednom rekao da bilo ko
ko razmišlja o kvantnoj mehanici,

a nije istinski zapanjen njome,

zapravo je ne razume.

(Smeh)

Međutim, jasno vam je sa čime se suočavamo

i zašto smo mi kriptografi sad na redu

da se bacimo na posao.

A moramo da budemo brzi

jer kvantni kompjuteri

već postoje u laboratorijama širom sveta.

Srećom, u ovom trenutku,

postoje u relativno malim razmerama,

još uvek suviše malim da bi razbili
naše veće kriptografske šifre.

Međutim, možda nismo još dugo bezbedni.

Neki veruju da su tajne vladine agencije

već napravile jedan dovoljno velik,

samo što još nikom nisu rekle.

Neki akademici kažu
da su verovatno tu za 10 godina.

Neki kažu da je izglednije za 30 godina.

Možda smatrate da, ako su
kvantni kompjuteri 10 godina daleko,

da mi kartografi zasigurno imamo
dovoljno vremena da shvatimo

kako da obezbedimo internet na vreme.

Međutim, nažalost nije to baš tako lako.

Čak iako zanemarimo
godine koje su potrebne

da se standardizuje, pripremi, a onda
pusti u rad nova tehnologija enkripcije,

na neki način, možda smo već zakasnili.

Pametni digitalni kriminalci
i vladine agencije

možda već skladište
naše najosetljivije šifrovane podatke

unapred iščekujući kvantnu budućnost.

Poruke stranih vođa,

ratnih generala

ili pojedinaca koji se
suprotstavljaju onima na vlasti,

za sada su pod enkripcijom.

Ali čim svane dan

kada se neko dočepa kvantnog kompjutera,

moći će retroaktivno
da otključaju sve iz prošlosti.

U određenim vladinim
i finansijskim sektorima

ili vojnim organizacijama,

osetljivi podaci moraju da budu
poverljivi 25 godina.

Dakle, ako će kvantni kompjuter
zaista da postoji za 10 godina,

onda su ovi momci već 15 godina zadocnili

u zaštiti enkripcije.

Dok se mnogi naučnici širom sveta

utrkuju u pravljenju kvantnog kompjutera,

mi kriptografi hitno tragamo
za novom enkripcijom

kako bismo se zaštitili na vreme.

Tragamo za novim, teškim
matematičkim problemima.

Tragamo za problemima koji,
baš poput faktorizacije,

mogu da se koriste na pametnim telefonima
i na našim laptopovima.

Međutim, nasuprot faktorizaciji,
potrebno je da problemi budu toliko teški

kako bi bili nerešivi
čak i za kvantni kompjuter.

U skorije vreme, pretraživali smo
znatno širu oblast matematike

tragajući za takvim problemima.

Razmatrali smo brojeve i objekte

koji su daleko egzotičniji i apstraktniji

od onih na koje smo navikli,

poput onih na našem digitronu.

I smatramo da smo otkrili
neke geometrijske probleme

koji bi mogli da obave posao.

Nasuprot tim dvo- i trodimenzionalnim
geometrijskim problemima

koje smo morali da rešavamo
olovkom i milimetarskim papirom

u srednjoj školi,

većina ovih problema je definisana
u preko 500 dimenzija.

Stoga, ne samo da ih je malčice teško
nacrtati i rešiti na milimetarskom papiru,

već verujemo i da su van domašaja
kvantnog kompjutera.

Dakle, iako je još rano,

ovde smeštamo naše nade dok pokušavamo
da osiguramo naš digitalni svet

koji se seli u kvantnu budućnost.

Baš kao i svi drugi naučnici,

mi kriptografi smo beskrajno uzbuđeni

zbog mogućnosti da živimo u svetu
zajedno sa kvantnim kompjuterima.

Mogli bi da budu
velika sila na strani dobra.

Međutim, u kakvoj god
tehnološkoj budućnosti živeli,

naše tajne će uvek da budu
deo naše čovečnosti.

A to je vredno zaštite.

Hvala.

(Aplauz)