Vad är Quantum Computing och varför ökar det integritetsproblem?

Kvantbearbetning har förblivit på grund av en teknikrevolution under större delen av det senaste decenniet. Det utlovade genombrottet verkar dock fortfarande inte närmare än för några år sedan. Under tiden, även när investeringarna fortsätter att strömma in, väcker experter obekväma frågor om huruvida det representerar slutet på online-integriteten som vi känner den. Så vad är kvantberäkning, hur skiljer det sig från traditionella datorer, och varför ringer forskare på alarmklockan om det? Vi kommer att försöka svara på alla dessa frågor idag.

Vad är kvantberäkning och hur det hotar cybersäkerhet

Medan dagens kvantdatorer har gett oss en glimt av vad tekniken kan, har den fortfarande inte nått någonstans nära sin högsta potential. Ändå är det löftet om obegränsad kraft som höjer hacklarna från cybersäkerhetspersonal. Idag lär vi oss mer om dessa problem och de steg som forskare vidtar för att ta itu med dem. Så utan vidare, låt oss kolla vad som är kvantdatorer, hur de fungerar och vad forskare gör för att säkerställa att de inte blir säkerhetsmardrömmarna. Innehållsförteckning + -

Vad är Quantum Computing?

Kvantdatorer är maskiner som använder kvantmekanikens egenskaper, som superposition och intrassling, för att lösa komplexa problem. De levererar vanligtvis massiva mängder processorkraft som är en storleksordning högre än till och med de största och mest kraftfulla moderna superdatorer. Detta gör det möjligt för dem att lösa vissa beräkningsproblem, såsom heltalsfaktorisering, betydligt snabbare än vanliga datorer.

Introducerades 2019 sägs att Googles 53-korts Sycamore-processor har uppnått kvantöverhöghet, vilket driver gränserna för vad tekniken kan göra. Det kan enligt uppgift göra på tre minuter vad en klassisk dator skulle ta cirka 10 000 år att slutföra. Även om detta lovar stora framsteg för forskare inom många områden, har det också väckt obehagliga frågor om integritet som forskare nu klättrar för att ta itu med.

Skillnaden mellan kvantdatorer och traditionella datorer

Den första och största skillnaden mellan kvantdatorer och traditionella datorer är hur de kodar information. Medan den senare kodar information i binära "bitar" som antingen kan vara 0s eller 1s, i kvantdatorer är basenheten i minnet en kvantbit, eller 'qubit', vars värde kan vara antingen '1' eller '0' eller '1 OCH 0' samtidigt. Detta görs med "superposition" - den grundläggande principen för kvantmekanik som beskriver hur kvantpartiklar kan färdas i tid, existerar på flera platser samtidigt och till och med teleporterar.

Superposition tillåter två qubits att representera fyra scenarier samtidigt istället för att analysera ett '1' eller ett '0' sekventiellt. Möjligheten att ta på sig flera värden samtidigt är den främsta anledningen till att qubits avsevärt minskar den tid det tar att knäcka en datamängd eller utföra komplexa beräkningar.

En annan stor skillnad mellan kvantdatorer och konventionella datorer är frånvaron av något kvantberäkningsspråk i sig. I klassisk dator beror programmering på datorspråk (AND, OR, NOT), men med kvantdatorer finns det ingen sådan lyx. Det beror på att till skillnad från vanliga datorer, de har inte en processor eller ett minne som vi känner till det. Istället finns det bara en grupp qubits för att skriva information utan komplicerad hårdvaruarkitektur till skillnad från konventionella datorer.

I grund och botten är de relativt enkla maskiner jämfört med traditionella datorer, men kan fortfarande erbjuda massor av kraft som kan utnyttjas för att lösa mycket specifika problem. Med kvantdatorer använder forskare vanligtvis algoritmer (matematiska modeller som också fungerar på klassiska datorer) som kan ge lösningar på linjära problem. Dessa maskiner är dock inte lika mångsidiga som konventionella datorer och är inte lämpliga för vardagliga uppgifter.

Potentiella tillämpningar av kvantberäkning

Kvantberäkning är fortfarande inte den mogna produkten som vissa trodde att det kommer att vara i slutet av det senaste decenniet. Men det erbjuder fortfarande några fascinerande användningsfall, särskilt för program som medger en polynomisk kvanthastighet. Det bästa exemplet på detta är ostrukturerad sökning, vilket innebär att du hittar ett specifikt objekt i en databas.

Många tror också att ett av de största användningsfallet för kvantberäkning kommer att vara kvantsimulering, vilket är svårt att studera i laboratoriet och omöjligt att modellera med en superdator. Detta ska i teorin hjälpa till med framsteg inom både kemi och nanoteknik, även om själva tekniken fortfarande inte är helt klar.

Ett annat område som kan dra nytta av framsteg inom kvantberäkning är maskininlärning. Medan forskning inom detta område fortfarande pågår, tror förespråkare av kvantberäkning att kvantberäkningens linjära algebraiska natur kommer att göra det möjligt för forskare att utveckla kvantalgoritmer som kan påskynda maskininlärningsuppgifter.

Detta leder oss till det mest anmärkningsvärda användningsfallet för kvantdatorer - kryptografi. Den flammande hastighet med vilken kvantdatorer kan lösa linjära problem illustreras bäst i hur de kan dekryptera kryptering av allmänna nycklar. Det beror på att en kvantdator effektivt kan lösa problemet med heltalsfaktorisering, det diskreta logaritmproblemet och det elliptiska kurvan diskreta logaritmproblemet, som tillsammans stöder säkerheten för nästan alla offentliga nyckelkryptografiska system.

Är Quantum Computing slutet på den digitala integriteten?

Alla tre kryptografiska algoritmer som nämns ovan antas vara beräkningsmässigt omöjliga med traditionella superdatorer och används vanligtvis för att kryptera säkra webbsidor, krypterad e-post och andra typer av data. Men det förändras med kvantdatorer, vilket i teorin kan lösa alla dessa komplexa problem med Shors algoritm, vilket i huvudsak gör modern kryptering otillräcklig inför eventuella attacker..

Det faktum att kvantdatorer kan bryta all traditionell digital kryptering kan få betydande konsekvenser för elektronisk integritet och säkerhet för medborgare, regeringar och företag. En kvantdator kan effektivt knäcka en 3072-bitars RSA-nyckel, en 128-bitars AES-nyckel eller en 256-bitars elliptisk kurvnyckel, eftersom den enkelt kan hitta deras faktorer genom att i huvudsak reducera dem till endast 26 bitar.

Medan en 128-bitars nyckel är praktiskt taget omöjlig att spricka inom en genomförbar tidsram även av de mest kraftfulla superdatorerna, kan en 26-bitars nyckel enkelt knäckas med en vanlig hemdator. Vad det betyder är att all kryptering som används av banker, sjukhus och myndigheter kommer att minskas till noll om skadliga aktörer, inklusive oseriösa nationalstater, kan bygga kvantdatorer som är tillräckligt stora och stabila nog för att stödja deras onödiga planer.

Det är dock inte allt undergång och dysterhet för global digital säkerhet. Befintliga kvantdatorer saknar processorkraft för att bryta någon riktig kryptografisk algoritm, så dina bankuppgifter är fortfarande säkra från brute force-attacker för tillfället. Dessutom utnyttjas samma förmåga som potentiellt kan decimera all modern nyckelkryptografi av forskare för att skapa ny, hack-säker '' post-kvant-kryptografi '' som potentiellt kan förändra datasäkerhetslandskapet de närmaste åren..

För närvarande tros redan många välkända krypteringsalgoritmer med offentlig nyckel vara säkra mot attacker från kvantdatorer. Det inkluderar IEEE Std 1363.1 och OASIS KMIP, som båda redan beskriver kvantsäkra algoritmer. Organisationer kan också undvika potentiella attacker från kvantdatorer genom att byta till AES-256, vilket ger en tillräcklig säkerhetsnivå mot kvantdatorer.

Utmaningar som förhindrar en kvantrevolution

Trots sin enorma potential har kvantdatorer förblivit en "nästa generations" teknik i årtionden utan att övergå till en livskraftig lösning för allmän användning. Det finns flera anledningar till det, och att ta itu med de flesta av dem har hittills visat sig vara bortom modern teknik.

För det första de flesta kvantdatorer kan bara arbeta vid en temperatur på -273 ° C (-459 ° F), en bråkdel av en grad över absolut noll (0 grader Kelvin). Som om det inte räcker, kräver det nästan noll atmosfärstryck och måste isoleras från jordens magnetfält.

Även om det är en enorm utmaning att uppnå dessa världsliga temperaturer är det också ett annat problem. De elektroniska komponenterna som krävs för att kontrollera qubits fungerar inte under sådana kyliga förhållanden och måste förvaras på en varmare plats. Ansluta dem med temperatursäkra ledningar fungerar för rudimentära kvantchips som används idag, men när tekniken utvecklas förväntas ledningens komplexitet bli en enorm utmaning.

Sammantaget måste forskare hitta ett sätt att få kvantdatorer att arbeta vid mer rimliga temperaturer för att skala tekniken för kommersiellt bruk. Tack och lov arbetar fysiker redan med det, och förra året publicerade två uppsättningar forskare från University of New South Wales i Australien och QuTech i Delft, Nederländerna, artiklar som hävdade att de hade skapat kiselbaserade kvantdatorer som fungerar till fullo grad över absolut noll.

Det låter inte så mycket för resten av oss, men det hyllas som ett stort genombrott av kvantfysiker, som tror att det potentiellt kan förkunna en ny era inom tekniken. Det beror på att den (något) varmare temperaturen skulle göra det möjligt att koppla samman qubits och elektronik som traditionella integrerade kretsar, vilket potentiellt kan göra dem mer kraftfulla.

Kraftfulla kvantdatorer du borde veta om

Vid sidan av den 53-bitars Sycamore-processorn som nämnts tidigare visade Google också en gate-baserad kvantprocessor som heter 'Bristlecone' vid det årliga American Physical Society-mötet i Los Angeles tillbaka 2018. Företaget tror att chipet äntligen kan ge kraften av kvantberäkning till mainstream genom att lösa "verkliga problem".

IBM presenterade också sin första kvantdator, Q, 2019, med löfte om att möjliggöra '' universella kvantdatorer '' som skulle kunna fungera utanför forskningslaboratoriet för första gången. Det beskrivs som världens första integrerade kvantbaserade system för kommersiellt bruk och är utformat för att lösa problem som räcker för klassiska datorer inom områden som finansiella tjänster, läkemedel och artificiell intelligens..

Honeywell International har också meddelat sin egen kvantdator. Företaget meddelade i juni förra året att det har skapat '' världens mest kraftfulla kvantdator ''. Med en kvantvolym på 64 sägs Honeywells kvantdator vara dubbelt så kraftfull som sin närmaste konkurrent, vilket skulle kunna leda tekniken från laboratorier för att lösa verkliga beräkningsproblem som är opraktiska att lösa med traditionella datorer..

Quantum Computing: The Dawn of a New Era eller en hot mot digital integritet?

Skillnaden mellan kvantdatorer och traditionella datorer är så stor att den förstnämnda kanske inte ersätter den senare snart. Men med korrekt felkorrigering och bättre energieffektivitet kunde vi förhoppningsvis se mer allestädes närvarande användning av kvantdatorer framöver. Och när det händer kommer det att bli intressant att se om det kommer att stava slutet på digital säkerhet som vi känner till det eller inleda en ny gryning i digital kryptografi.

Så förväntar du dig att kvantdatorer snart blir (relativt) allestädes närvarande? Eller är det avsett att förbli experimentellt inom överskådlig framtid? Låt oss veta i kommentarerna nedan. Om du vill lära dig mer om kryptering och kryptografi, kolla in våra länkade artiklar nedan:

• TKIP vs AES: Förklarade Wi-Fi-säkerhetsprotokoll
• Vad exakt är kryptering av militär kvalitet
• Kryptera USB-enheter för att säkra data du bär
• 8 Bästa krypteringsprogramvara för Windows