Felforgathatja a világot a kvantumszámítógépek fejlődése

Mi az a kvantumszámítógép?

Az okostelefonokat és laptopokat is magában foglaló klasszikus számítógépek bináris „bitekben” kódolják az információkat, amik így lehetnek nullák vagy egyek. A kvantumszámítógépben ezzel szemben a memória alapegysége a kvantumbit. Például 8 bit elegendő ahhoz, hogy egy klasszikus számítógép egy 0 és 255 közötti tetszőleges számot képviseljen. Ezzel szemben 8 qubit, azaz kvantumbit, elegendő ahhoz, hogy egy kvantumszámítógép minden 0 és 255 közötti számot egyszerre képviseljen. Ebből talán érzékelhető a két technológia teljesítménye közötti különbség. 

Így néhány száz összefonódott qubit elegendő lenne több szám képviseletére, mint ahány atom van az egész univerzumban. Ezért olyan helyzetekben, amikor nagyszámú lehetséges kombináció létezik, a kvantumszámítógépek egyszerre képesek mérlegelni azokat. Ilyen feladat lehet például megtalálni egy nagyon nagy szám elsődleges tényezőit vagy kiválasztani a legjobb útvonalat két hely között. 

A kvantum titka a szuperpozíció

A kvantumbitek egyszerre számos kombinációját jelenthetik a 0-nak és az 1-nek, egyazon időben. Szuperpozíciónak nevezzük ugyanis azt a képességet, hogy valami egyszerre több állapotban is képes létezni. A kutatók precíziós lézerek vagy mikrohullámú sugarak segítségével manipulálják a qubiteket, hogy azok szuperpozícióba kerüljenek. A kvantumösszefonódás jelensége miatt a tudósok előállíthatnak qubit párokat, ami azt jelenti, hogy egy ilyen pár két tagja egyetlen kvantumállapotban létezik. 

Ez azt is jelenti, hogy az egyik kvantumbit állapotának megváltoztatása azonnal kiszámítható módon megváltoztatja a másik állapotát is. Ez a jelenség még akkor is megtörténik, ha a pár két tagja elképesztően nagy távolságra helyezkedik el egymástól. A jelenség okát még most sem értik pontosan, maga Albert Einstein pedig egyenesen kételkedett a létezésében és csak „kísérteties távoli eseményeknek” titulálta. A kvantumösszefonódást azonban már bizonyították, és létezése kulcsfontosságú a kvantumszámítógépek megépítéséhez. 

Egy új világot nyithat meg előttünk a kvantumtechnológia

A kvantumbitek stabilitásához azonban folyamatos hűtésre és nagyjából 0 fok körüli hőmérsékletre, valamint vákuumkamrákra van szükség. Azonban, ha a feltételek adottak, akkor hatalmas lehetőség rejlik a kvantumszámítógépek alkalmazási területeit illetően. Az Airbus például felhasználja őket a repülőgépek üzemanyag-takarékos emelkedési és süllyedési útvonalainak kiszámításához. A Volkswagen pedig bemutatott egy olyan szolgáltatást, amely kiszámítja a városokban a buszok és taxik optimális útvonalát a torlódások elkerülésének érdekében. 

A Google célja

A Google kiváló tudósa, Hartmut Neven szerint, a cég 2029-ig több milliárd dollárt tervez elkölteni egy olyan kvantumszámítógép megépítésére, amely hibák nélkül képes nagyméretű üzleti és tudományos számításokat elvégezni. A tudós felügyeli a vállalat Quantum AI programját, mely a közelmúltban kibővített kaliforniai központban működik. Neven úgy gondolja, hogy fordulóponthoz érkezett a 2006 óta tartó kutatás, mivel most már rendelkezésükre állnak a lényeges komponensek, ami bizakodásra ad okot. 

A Google a technológia számos lehetséges felhasználása iránt érdeklődik. Ilyen területek lehetnek az energiatakarékosabb akkumulátorok megépítése, a műtrágyagyártás új, csökkentett szén-dioxid-kibocsátással járó technológiája, és a mesterséges intelligencia egyik ágának, a gépi tanulásnak a gyorsítása. Az ilyen felhasználási területek megvalósításához azonban a Google szerint meg kell építeniük egy egymillió kvantumbites számítógépet, amely hibák nélkül, megbízhatóan képes számításokat végezni. A jelenlegi rendszereinek egyelőre csak kevesebb, mint 100 kvantumbitje van.

Mi a helyzet a Bitcoin-nal?

Amióta a Google bejelentette, hogy elérte a kvantumfölényt, egyre több olyan cikk jelenik meg az interneten, amely szerint így a jelenleg használatos kódolás, és különösen a Bitcoin, megszűnésére kell számítani. Az összes ismert, klasszikus algoritmus alkalmazása esetén a privát kulcs nyilvános kulcsból történő levezetéséhez csillagászati időre volna szükség. 

1994-ben azonban Peter Shor matematikus publikált egy kvantum algoritmust, amely képes lehet feltörni az aszimmetrikus kriptográfia leggyakoribb algoritmusait. Ez azt jelenti, hogy bárki, aki kellően nagy teljesítményű kvantumszámítógéppel rendelkezik, könnyedén használhatja ezt az algoritmust akár arra is, hogy egy privát kulcsot vezessen le a megfelelő nyilvános kulcsból, és így meghamisítson egy digitális aláírást. 

A „kvantumbiztonság” előfeltétele, hogy az ehhez a címhez társított nyilvános kulcs ne legyen nyilvános. Ez azonban sajnos lehetetlen, hiszen amint egy ilyen tranzakciót szeretnénk végrehajtani, és például a kriptovalutát egy ilyen „biztonságos” címről próbáljuk átküldeni egy másik címre, a művelet azonnal feltárja a nyilvános kulcsot, kiszolgáltatva és sebezhetővé téve ezzel a küldőt. Attól a pillanattól kezdve, hogy a tranzakciót „kibányásszák”, bárki szabadon ellophatja a tranzakcióban szereplő összeget, amennyiben rendelkezik megfelelő teljesítményű kvantum számítógéppel. 

Egy ilyen támadás során a „rabló” előbb levezeti a privát kulcsát a nyilvános kulcsból, majd versengő tranzakciót kezdeményez a saját címére, és magasabb bányadíj felajánlásával próbál elsőbbséget szerezni az eredeti tranzakcióval szemben. A Bitcoin blokkláncban jelenleg körülbelül 10 percet vesz igénybe a tranzakciók bányászata (kivéve, ha a hálózat túlterhelt, ami a múltban sajnos gyakran előfordult). 

A hálózat addig lehet biztonságban egy kvantumszámítógéppel szemben, amíg annak relatív hosszú ideig tart egy adott nyilvános kulcshoz tartozó privát kulcs megszerzése. A kvantum számítógépek fejlődésével ez a biztonság teljesen megszűnik majd. A jelenlegi tudományos becslések szerint egy kvantumszámítógépnek körülbelül 8 órájába telik törölni az RSA kulcsot, és egyes konkrét számítás szerint egy Bitcoin aláírást 30 percen belül képes feltörni. A megoldást majd a poszt-kvantum kriptográfia jelentheti, amely innovatív és jövőbiztos blokklánc alkalmazásokat hozhat létre. Az óvatosság pedig nem csak a Bitcoin esetében fontos, hanem minden olyan meglévő alkalmazásnál is, amely nyilvános és privát kulcsokat használ. 

Kvantum utáni rejtjelezés

Az egyik lehetséges megoldás a kulcs méretének megduplázása, de azért a helyzet nem ilyen egyszerű. A kvantum utáni kriptográfiai algoritmusok közötti döntés gyakorlati feladata a nyilvános kulcsok interneten keresztül történő küldésének megoldása. Az Open Quantum Safe projekt 2016 végén indult, és célja a kvantumrezisztens kriptográfia fejlesztése és prototípusának megalkotása. A projekt keretében igyekeznek a jelenlegi kvantum utáni sémákat egy könyvtárba gyűjteni. Az Open Quantum Safe jelenleg 6 algoritmust támogat. Ezenkívül a Forward Secrecy egyszeri, véletlenszerűen generált kulcsok használatát teszi lehetővé. 

A Forward Secrecy védi a hálózat SSL/TLS protokollokat, köztük az OpenSSL-t használó hálózat szállítási rétegének adatait, ha esetleg a hosszú távú titkos kulcsok sérülnek, mint például a Heartbleed biztonsági hiba esetén. Forward Secrecy használatakor a múltban rögzített titkosított kommunikáció és munkamenetek nem nyerhetőek vissza, nem lehet őket ki és visszafejteni. Ez azt jelenti, hogy az adatok eltűnésével biztonságban lehetnek a jelszavaink és a hosszú távú titkos kulcsok, még akkor is, ha aktív beavatkozás történik. 

A Forward Secrecy legnagyobb jelentősége, hogy megvédi a korábbi kommunikációt. Ezáltal csökken a támadók motivációja a kulcsok feltörésére. Például, ha valaki hosszú távú kulcsot használ és támadást észlel, akkor lehetősége van a kulcs visszavonására és frissítésére, így viszonylag kevés információ szivároghat csak ki egy Forward Secrecy rendszerben. 

A cikk szerzője Papp Helga.