Komputery kwantowe i ich wpływ na cyberbezpieczeństwo
Komputery kwantowe to jedno z największych osiągnięć współczesnej nauki, z potencjałem zrewolucjonizowania wielu dziedzin życia w tym cyberbezpieczeństwa. Czym różni się komputer kwantowy od zwykłego i jaki będzie miał wpływ na obecne zabezpieczenia sprzętowe i cyfrowe? Czy tradycyjne systemy zabezpieczeń będą miały szansę z kwantowymi komputerami? I czy komputer kwantowy w ogóle istnieje? Weźmy ten temat pod lupę i sprawdźmy, jak działają komputery kwantowe.
Komputer kwantowy – co to za sprzęt i jak działa?
Komputer kwantowy to coś zupełnie innego niż tradycyjny komputer, którego używasz na co dzień. Sprawdźmy więc, na czym polega komputer kwantowy. W zwykłych urządzeniach dane są przetwarzane w postaci bitów, które mogą przyjmować tylko jeden z dwóch stanów: 0 lub 1. Natomiast komputer kwantowy wykorzystuje tak zwane kubity (quantum bits), które działają na zupełnie innych zasadach. Kubit może znajdować się w stanie kwantowej superpozycji, co oznacza, że jego stan jest opisany przez kombinację stanów podstawowych (0 i 1) z różnymi prawdopodobieństwami kwantowymi. To nie oznacza, że kubit jest dosłownie jednocześnie zerem i jedynką - to bardziej subtelne zjawisko fizyczne, które nie ma odpowiednika w świecie klasycznym. Gdy dokonujemy pomiaru kubitu, otrzymujemy zawsze albo 0, albo 1, ale przed pomiarem kubit może znajdować się w stanie będącym dowolną kombinacją tych wartości, co daje komputerom kwantowym unikalne możliwości obliczeniowe. Jego budowa też jest wyjątkowa – urządzenie musi być schładzane do ekstremalnie niskich temperatur, aby kubity działały stabilnie. Pewnie zastanawiasz się, jak wygląda komputer kwantowy? O wiele bardziej jak futurystyczne laboratorium niż tradycyjny komputer stojący na biurku. Zajmuje on naprawdę sporo przestrzeni.
Czy istnieje już komputer kwantowy?
Tak, komputery kwantowe już istnieją, a quantum computing to ostatnio dość gorący temat. Pierwszy komputer kwantowy, choć bardzo prosty w porównaniu do dzisiejszych konstrukcji, został opracowany w 1998 roku przez zespół naukowców z Uniwersytetu Oksfordzkiego, MIT i Uniwersytetu Stanforda. Był to eksperymentalny model wykorzystujący technikę zwaną rezonansem magnetycznym jądrowym (NMR) do manipulacji stanami kwantowymi molekuł w cieczy. W praktyce mógł on przetwarzać zaledwie kilka kubitów. Choć od tego czasu nauka i technologia ruszyły z przysłowiowego kopyta, to jednak komputery kwantowe znajdują się dzisiaj wciąż głównie w fazie eksperymentalnej i są używane do badań oraz testów.
Firmy takie jak Google, IBM, Microsoft, a także kraje takie jak Chiny intensywnie inwestują w rozwój tych urządzeń. Przykładowo, w roku 2019 Google ogłosiło, że komputer kwantowy Sycamore wykonał obliczenia niemożliwe do przeprowadzenia na klasycznych komputerach w rozsądnym czasie. Chiny także intensywnie inwestują w rozwój własnych komputerów kwantowych. IBM natomiast rozwija Q System One, dostępny w ramach platformy chmurowej. Wprawdzie nie mamy już wątpliwości, czy istnieje komputer kwantowy, ale warto jednak nadmienić, że nie jest on jeszcze dostępny dla przeciętnego użytkownika. Możliwości komputerów kwantowych są na ten moment ograniczone do bardzo specyficznych zadań, a ich budowa komputera kwantowego wymaga ekstremalnych warunków, takich jak chłodzenie do temperatur bliskich zera absolutnego. Jednak rozwój tej technologii postępuje szybko i w ciągu kilku dekad mogą stać się bardziej powszechne. Jak jednak prezentuje się na dzień dzisiejszy rywalizacja komputer kwantowy vs. zwykły? O ile nasze laptopy są używane do codziennych zadań oraz skomplikowanych obliczeń w nauce czy przemyśle, to komputer kwantowy sprawdza się na ten moment na razie tylko w bardzo specjalistycznych zadaniach, takich jak optymalizacja, analiza dużych zbiorów danych, rozwój nowych leków czy przewidywanie reakcji chemicznych.
Komputer kwantowy – kiedy pojawi się w Europie?
W mediach pojawiły się też wieści o tym, że niebawem pojawi się komputer kwantowy w Polsce. W 2025 roku w Poznaniu powstanie pierwsze w Europie takie urządzenie, które będzie wspierało naukę, przemysł oraz sektor publiczny. Polski komputer kwantowy posłuży m.in. do prowadzenia zaawansowanych badań naukowych w zakresie chemii kwantowej, fizyki oraz biotechnologii. Dzięki niemu możliwe będzie przeprowadzanie symulacji i analiz, które są poza zasięgiem tradycyjnych superkomputerów
Ile kosztuje komputer kwantowy?
Cena komputera kwantowego zależy od jego mocy, zastosowania i producenta, ale obecnie to technologia niezwykle kosztowna, dostępna głównie dla rządów, instytucji naukowych i dużych firm technologicznych. Gdzie kupić komputer kwantowy? Są na razie dostępne tylko dla dużych firm i instytucji badawczych. Przykłady tego, ile kosztuje komputer kwantowy, można oprzeć o IBM Quantum System One, czyli o jeden z bardziej znanych komputerów kwantowych, który jest udostępniany w modelu usługowym (quantum as a service), a koszty dostępu zaczynają się od kilkudziesięciu milionów dolarów za rok użytkowania. Kanadyjska firma D-Wave, produkująca wyspecjalizowane komputery kwantowe, oferuje modele, które kosztują od 10 do 15 milionów dolarów za sztukę.
Skąd np. u IBM taka cena za komputer kwantowy? Nie da się ukryć, że koszty te wynikają z konieczności budowy skomplikowanej infrastruktury i tego jak działają komputery kwantowe. Nie dość, że wymagają one bowiem specjalnych układów chłodzenia do temperatur bliskich zera absolutnego, to jeszcze ich utrzymanie wymaga zespołu ekspertów i specjalistycznego sprzętu pomocniczego. To więc dość skomplikowany interes. Jak widzisz, trzeba ze smutkiem przyznać, że obecnie komputer kwantowy do gier jest niestety poza naszym zasięgiem ;-) Choć cena spada wraz z rozwojem technologii, komputery kwantowe w najbliższym czasie pozostaną daleko w sferze marzeń zwykłych zjadaczy chleba i będą wykorzystywane głównie w badaniach naukowych oraz zaawansowanych projektach przemysłowych.
Komputer kwantowy a cyberbezpieczeństwo
Skoro wiemy już, czym jest komputer kwantowy pora przejść do jego wpływu na obecne zabezpieczenia sprzętowe i cyfrowe. Czy zdając sobie sprawę, jak działa komputer kwantowy, można łudzić się, że w przyszłości będą miały rację bytu jakiekolwiek urządzenia, które uchronią nas przed hakerami? Czy tradycyjne systemy zabezpieczeń będą miały szansę z kwantowymi komputerami, skoro najszybszy komputer kwantowy wykonuje obliczenia, które nawet superkomputerom zajmowałyby 10 tys. lat w nieco ponad 2 minuty? Odpowiedź nasuwa się sama. Obecne systemy nie są przystosowane do radzenia sobie z mocą obliczeniową, jaka dysponuje komputer kwantowy. Zasada działania opiera się przecież m.in. unikalnej zdolności komputerów kwantowych do przetwarzania wielowymiarowych danych (algorytm Shora rozkłada liczby na czynniki pierwsze w czasie wykładniczo szybszym niż tradycyjne metody). Oznacza to, że tradycyjne systemy zabezpieczeń, takie jak algorytmy szyfrowania RSA czy ECC (Elliptic Curve Cryptography), które opierają się na trudności rozkładu dużych liczb na czynniki pierwsze lub rozwiązywania problemów matematycznych, po prostu nie mają szans. Komputery kwantowe, dzięki właśnie m.in. algorytmowi faktoryzacji Shora, mogą rozwiązywać te problemy w sposób niewyobrażalnie szybszy niż klasyczne komputery, co oznacza na pewno łamanie szyfrowania danych (większość współczesnych protokołów, takich jak HTTPS czy VPN, mogłaby zostać złamana w ciągu minut lub godzin, zamiast lat). Oznacza to także koniec bezpieczeństwa kluczy publicznych (technologie oparte na kluczach asymetrycznych stałyby się przestarzałe).
Sprawdź też popularny artykuł na blogu SAPSAN o zasadach bezpiecznych zakupów w internecie.
Komputery kwantowe – co to oznacza dla obecnych systemów zabezpieczeń?
Wielu ekspertów sugeruje jednak, że tradycyjne metody szyfrowania zostaną zastąpione przez tzw. algorytmy post-kwantowe, które będą odporne na ataki kwantowe. Zapowiada się też szyfrowanie symetryczne (algorytmy takie jak AES-256 są trudniejsze do złamania dla komputerów kwantowych i mogą pozostać bezpieczne, choć wymagać będą dłuższych kluczy). Oprócz zagrożeń komputery kwantowe mogą również wzmocnić cyberbezpieczeństwo. Już wspomina się o kwantowej kryptografii, czyli technologii takiej jak Quantum Key Distribution (QKD), która oferuje teoretycznie niełamliwe systemy szyfrowania, wykorzystujące fundamentalne prawa fizyki kwantowej. Oprócz tego będzie można wykorzystywać zaawansowaną analizę zagrożeń. Komputery kwantowe będą w stanie szybciej analizować ogromne ilości danych, identyfikować zagrożenia i reagować na cyberataki.
Rozwiązaniem jest więc jak najszybsze wdrożenie strategii post-kwantowych. Organizacje takie jak NIST (National Institute of Standards and Technology) już pracują nad certyfikacją algorytmów szyfrowania odpornych na to, co potrafi komputer kwantowy. Czy istnieje jakaś prognoza na przyszłość wszystkich zabezpieczeń, do których się przyzwyczailiśmy? Można przypuszczać, że z czasem znane nam tradycyjne systemy zostaną zastąpione nowoczesnymi, bardziej odpornymi na ataki kwantowe. A może wprowadzenie kwantowych systemów zabezpieczeń, takich jak QKD, stanie się standardem w ochronie danych? Czas pokaże.
Komputer kwantowy – ciekawostki ze świata
15 października 2024 r., pod patronatem Ministra Obrony Narodowej odbyła się konferencja CyberEXPERT, która koncentrowała się na kwestii quantum computing i AI, czyli na dwóch przełomowych technologiach, jakimi są dzisiaj obliczenia kwantowe i sztuczna inteligencja (AI). Poruszono na niej m.in. temat przyszłości zarządzania tożsamością cyfrową, sugerując odchodzenie od tradycyjnych loginów i haseł na rzecz rozwiązań opartych na blockchainie lub self-sovereign identity. Choć to brzmi jak science fiction, komputery kwantowe są zdolne do symulacji procesów chemicznych, które w rzeczywistości jeszcze się nie wydarzyły. Dzięki temu mogą być używane do projektowania nowych leków czy zaawansowanych materiałów.
Nie da się ukryć, że to, co potrafi i do czego służy komputer kwantowy, totalnie zmienia zasady gry w cyberbezpieczeństwie, podważając skuteczność dotychczasowych systemów. Tradycyjne metody nie poradzą sobie w dłuższej perspektywie, ale widać, że postęp w technologii post-kwantowej daje nadzieję na stworzenie jeszcze bezpieczniejszych rozwiązań. Oczywiście rozwój technologii kwantowych napotyka na razie liczne przeszkody, chociażby takie jak wysoki koszt implementacji i wyzwania technologiczne.