Квантовые компьютеры станут воплощением мечты для хакеров

Опубликовано: 19.08.2025

Квантовые компьютеры уже на подходе. И когда они появятся в сравнительно свободном доступе, они полностью изменят наши способы защиты конфиденциальных данных. В отличие от классических современных процессорных устройств и даже мощных серверов, квантовые компьютеры используют квантово-механические эффекты, такие как суперпозиция и запутанность, для обработки и хранения данных в форме, выходящей за рамки нулей и единиц, которые представляют собой цифровые биты. Эти суперспособности кубитов (такое название вошло в обиход для квантовых битов), могут открыть путь к колоссальной вычислительной мощности.

Это означает, что будущие инновационные разработки могут решать сложные задачи, над которыми учёные бились десятилетиями, например, моделирование поведения субатомных частиц или решение задачи «коммивояжёра», которая заключается в расчёте кратчайшего маршрута между несколькими городами с возвращением в исходный пункт назначения. Но эта огромная мощь может дать хакерам преимущество.

Как и многие мощные технологии, квантовые вычисления можно использовать во благо, но можно использовать и во вредоносных целях. Когда пригодные для использования такие устройства впервые появятся в сети, большинство людей — и даже большинство крупных организаций — всё ещё будут полагаться на классические, с линейной логикой. Поэтому криптографам необходимо найти способы защиты данных от мощных квантовых компьютеров, используя программы, которые можно запустить на обычном ноутбуке.

Именно здесь на помощь приходит постквантовая криптография. Несколько групп учёных уже сейчас спешно стремятся разработать криптографические алгоритмы, способные противостоять взлому «квантом», ещё до его широкого внедрения. Некоторые из этих криптографических алгоритмов основаны на недавно разработанных уравнениях, в то время как другие обращаются к многовековым знаниям. Но у всех есть одна общая черта: их нелегко взломать с помощью алгоритмов, работающих на квантовом принципе быстродействия.

Криптография существует уже тысячи лет. Самый ранний известный пример — шифр, высеченный на древнеегипетском камне в 1900 году до нашей эры. Однако криптография, используемая большинством современных программных систем, основана на алгоритмах с открытым ключом. В этих системах сервер или конечное устройство пользователя использует алгоритмы, часто включающие разложение произведения двух больших простых чисел, для генерации как открытого, так и закрытого ключей. Открытый ключ используется для шифрования данных, в то время как закрытый ключ, доступный только отправителю, может быть использован для их расшифровки.

Чтобы взломать такую «шифрограмму», хакерам и другим злоумышленникам часто приходится разлагать произведения очень больших простых чисел на множители или пытаться подобрать закрытый ключ методом перебора — по сути, перебирая варианты и проверяя, какой из них окажется удачным. Это сложная задача для классических линейных схем вычислений, поскольку им приходится проверять каждый вариант один за другим, что ограничивает скорость определения множителей.

В настоящее время часто объединяют несколько алгоритмов шифрования (которые можно рассматривать как строительные кирпичики), реализованных в разных местах, например, на жёстком диске или в облачном хранилище Интернета. Когда кирпичи сложены, каждый из них представляет собой небольшую часть крепости, которая защищает данные от хакеров. Но большая часть этой криптографической инфраструктуры была построена на фундаменте, разработанном в 1990-х и начале 2000-х годов, когда интернет играл гораздо меньшую роль в нашей жизни, а квантовые компьютеры были в основном фантастическими экспериментами. Это как фундамент для трёхэтажного здания, на котором мы затем построили стоэтажный небоскрёб, и остаётся только каждый день уповать на то, что всё с ним и сегодня будет в порядке.

Обычному, пускай даже самому мощному классическому серверу могут потребоваться тысячи или даже миллиарды лет, чтобы взломать действительно сложный алгоритм разложения на простые множители, но мощный квантовый компьютер часто может решить то же самое уравнение за несколько минут. Это связано с тем, что устройство, работающее на квантовом уровне, может работать в режиме исключительной многозадачности, выполняя множество вычислений одновременно, используя квантовую суперпозицию, при которой кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Они могут эффективно исполнять скрипты согласно нескольким алгоритмам, быстро решая задачи разложения на простые множители. В результате квантовые компьютеры теоретически могут разрушить криптографические твердыни, которые мы используем для защиты наших данных.

Постквантовая криптография стремится постепенно, шаг за шагом, заменить устаревшие строительные блоки на более сложные для взлома кирпичики. И первый шаг — найти правильные математические задачи. В некоторых случаях это означает возвращение к уравнениям, которые использовались веками.

В настоящее время рассматриваются четыре задачи в качестве потенциальных основ для постквантовой криптографии. Три из них относятся к математическому семейству, известному как структурированные решётки. Эти задачи задаются вопросами о векторах — математических терминах, описывающих направление и величину между соединёнными узлами, — подобно точкам соединения в паутине. Эти решётки теоретически могут иметь бесконечное число узлов и существовать в нескольких измерениях. Эксперты полагают, что квантовому компьютеру будет сложно взломать решёточные задачи, поскольку, в отличие от некоторых других криптографических алгоритмов, они не требуют разложения на множители огромных чисел.

Вместо этого они используют векторы между узлами для создания ключа и шифрования данных. Решение этих задач может включать, например, вычисление кратчайшего вектора в решётке или определение ближайших друг к другу векторов. При наличии ключа — часто «хорошего» начального вектора — эти задачи могут быть относительно простыми. Но без ключа они чертовски сложны. Это связано с тем, что пока никто не разработал алгоритм, подобный алгоритму Шора, который мог бы эффективно решать эти задачи с использованием архитектуры квантовых вычислений.

Четвёртая рассматриваемая проблема относится к группе задач, называемых хэш-функциями. Хэш-функции работают следующим образом: виртуальный ключ для разблокировки определённой точки в таблице данных шифруется и сжимается в более короткий код. Этот тип алгоритмов уже является краеугольным камнем современной кибербезопасности, поэтому теоретически обновить классические компьютеры до версии, устойчивой к квантовым вычислениям, должно быть проще, чем с другими постквантовыми криптографическими схемами. И, подобно структурированным решёткам, их нелегко решить одним лишь перебором — для их решения в рамках возраста Вселенной требуется некоторая подсказка о том, что происходит внутри генератора ключей, называемого «чёрным ящиком».

Однако эти четыре проблемы не охватывают все существующие потенциально-безопасные способы защиты. Например, изучается код с исправлением ошибок, известный как криптосистема Мак-Элиса. Разработанная более 40 лет назад американским инженером Робертом Мак-Элисом, эта система использует генерацию случайных чисел именно в целях создания открытого и закрытого ключей, а также алгоритма шифрования. Получатель закрытого ключа использует фиксированный шифр для расшифровки данных.

Шифрование Мак-Элиса считается одновременно и более быстрым, и более безопасным, чем наиболее распространённая криптосистема с открытым ключом. Как и в случае с хеш-функцией, потенциальным хакерам необходимо знать принцип работы чёрного ящика, чтобы взломать её. С одной стороны, эксперты считают эту систему очень безопасной, но с другой — даже ключи для расшифровки данных приходится обрабатывать с помощью чрезвычайно больших и громоздких матриц, что требует больших затрат энергии.

Аналогичный код с исправлением ошибок, известный как квазициклический код Хэмминга (HQC), был недавно выбран в качестве резервного варианта к основным. Его главное преимущество перед классической системой Мак-Элиса заключается в использовании меньших размеров ключа и шифротекста.

Другой тип схемы, которая иногда упоминается в разговорах о постквантовой криптографии, — это эллиптическая кривая, изучения которой восходит, по крайней мере, к Древней Греции. Криптография на эллиптических кривых использует базовые алгебраические действия — вычисление точек на кривой. Это тоже можно использовать для шифрования ключей. Некоторые эксперты считают, что новый алгоритм эллиптических кривых может избежать взлома квантовым компьютером. Однако другие утверждают, что хакер гипотетически может использовать алгоритм Шора, чтобы взломать большинство известных алгоритмов эллиптических кривых, что делает их менее безопасным вариантом.

В гонке за квантово-безопасные криптографические уравнения не будет универсального решения. Например, всегда приходится идти на компромисс в вычислительной мощности: не имеет смысла использовать сложные, ресурсоёмкие схемы для защиты низкоприоритетных данных, когда более простая система может быть вполне адекватной. Нельзя сказать, что какой-то один алгоритм (либо их комбинация) будет оптимальным решением. Всё зависит от того, что именно они защищают. На самом деле, для организаций, использующих современные устройства (речь в первую очередь идёт о корпоративных серверах, установленных в крупных дата-центрах, на которых находится основная информация для совместной работы сотрудников), важно иметь несколько алгоритмов, способных защитить их данные от киберугроз нового уровня. Таким образом, если будет выявлено, что один из них уязвим, можно будет легко переключиться на тот, уязвимость которого ещё не установлена системой мониторинга безопасности. В настоящее время целые команды государственных и банковских структур уже работают над улучшением способности организации плавно переключаться между квантово-безопасными алгоритмами — эта функция известна как криптографическая гибкость. Впрочем, сам этот механизм тоже нуждается в защите – так как предполагается, что в первую очередь, атаки будут направлены на его ликвидацию.

Несмотря на то, что полезные (или «криптографически значимые») квантовые компьютеры появятся только через несколько лет (либо десятков лет), крайне важно начать подготовку к их появлению в широком доступе уже сейчас. Может потребоваться много лет, чтобы модернизировать существующие системы для работы с постквантовой криптографией. Некоторые системы вообще сложно модернизировать с точки зрения новых способов кодирования. А к некоторым, например, установленным на борту военных кораблей, физический доступ учёным и инженерам может быть затруднён (или даже невозможен). Существует также вероятность того, что, опять же, из-за высокой мощности квантовых компьютеров, мы не будем знать, когда какая-либо частная или государственная разведывательно-диверсионная организация получит доступ к такой мощной машине.

Существует также угроза атак по принципу «собрать сейчас, расшифровать позже». Злоумышленники могут получить доступ к конфиденциальным зашифрованным данным и сохранить их до тех пор, пока не получат доступ к квантовому компьютеру, способному взломать шифрование. Цели подобных атак могут быть самыми разными, включая банковские счета, персональную медицинскую информацию и базы данных национальной безопасности. Уже сейчас в таком подходе подозревают некоторые военные структуры КНР. Чем раньше мы сможем защитить такие данные от квантовых компьютеров, тем лучше. И, как и любой подход к кибербезопасности, постквантовая криптография не станет конечной точкой. Гонка вооружений между хакерами и специалистами по безопасности продолжит развиваться и в будущем, а простые люди могут лишь начинать предсказывать её развитие. Это может означать разработку алгоритмов шифрования, работающих на квантовом компьютере, а не на классическом, или поиск способов противодействия квантовому искусственному интеллекту. Миру необходимо продолжать работать над этим, потому как, если постквантовые уравнения окажутся неработоспособной схемой защиты, то возможно, придётся ждать ещё 20 лет, чтобы придумать им замену. Но за это время все возможные данные будут украдены, взломаны, дискредитированы.