Inside Scoop của Công nghệ Lượng tử: Cái nhìn ngắn gọn về Lượng tử trong An ninh mạng

An ninh mạng nâng cao là một lợi ích lớn đối với điện toán lượng tử, nhưng công nghệ mới này sẽ giúp biến điều này thành hiện thực như thế nào (PC Adi Goldstein trên UnSplash.com)

Trong khi máy tính lượng tử cung cấp nhiều lợi ích, chẳng hạn như hiệu quả và giải quyết vấn đề phức tạp hơn, một trong những lợi ích lớn nhất mà nhiều người đang mong đợi là tăng cường an ninh mạng. Như các chuyên gia dự đoán rằng Hoa Kỳ sẽ chi tiêu khoảng 10 tỷ USD về an ninh mạng vào năm 2027, ngành này sẽ ngày càng trở nên phù hợp. Do bản chất vốn có, chẳng hạn như chồng chất or sự vướng víu, điện toán lượng tử có thể cung cấp bảo mật cấp độ tiếp theo, điều này có thể gợi ý những thay đổi lớn cho toàn bộ ngành công nghiệp điện toán. Nhiều người cũng lo lắng rằng bảo mật cấp độ tiếp theo này có thể gây ra nhiều vấn đề hơn là lợi ích, khiến cuộc thảo luận về lượng tử trong an ninh mạng trở thành một cuộc thảo luận khá sôi nổi.

Các quy trình bảo mật mạng hiện tại

 An ninh mạng chỉ đơn giản đề cập đến bảo vệ thông tin nhạy cảm trong một hệ thống kỹ thuật số khỏi bị lộ. Nhiều máy tính đã làm điều này bằng cách sử dụng mã hóa thực hành. Mã hóa chạy trên các thuật toán và có hai loại thuật toán chính trong mã hóa cổ điển. Một là mã hóa đối xứng, trong đó cùng một khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu. Ngược lại, mã hóa bất đối xứng sử dụng hai khóa khác nhau, một khóa mã hóa (thường được gọi là khóa công khai) và một khóa giải mã (thường được gọi là khóa riêng) để chia sẻ dữ liệu một cách an toàn. Vì các khóa này có thể được tạo ra từ các số ngẫu nhiên bằng các thuật toán, các nhóm tính toán lượng tử đang hy vọng phát triển thế hệ tiếp theo của những thuật toán sử dụng các thuộc tính lượng tử cụ thể.

Cuộc chiến của các thuật toán

Cảm ơn lượng tử sự vướng víu, qubit (bit lõi của máy tính lượng tử) vốn có thể được kết nối với nhau. Điều này cho phép dự phòng trong việc chia sẻ thông tin, vì có thể gửi nhiều qubit vướng víu hơn và giảm lượng thông tin bị hấp thụ hoặc giảm chất lượng. Vì vướng víu là một trạng thái mỏng manh, nó có thể bị phá vỡ hoặc xuống cấp do tác động từ bên ngoài. Điều này có nghĩa là các qubit vướng víu cũng có thể bị suy giảm nếu một số nguồn khác đọc chúng ngoài người gửi hoặc người nhận, làm cho thông tin an toàn hơn. Bên cạnh sự vướng víu, các thuật toán lượng tử có thể được chạy để tạo khóa mã hóa nhanh hơn bằng cách sử dụng trình tạo số ngẫu nhiên, cũng như giải mã giải mã nhanh hơn. Những yếu tố này mang lại cho máy tính lượng tử một lợi thế đáng kể trong an ninh mạng. 

Máy tính lượng tử cũng có thể chạy nhiều thuật toán cùng một lúc, giúp chúng mã hóa và phá mã hiệu quả với tốc độ kỷ lục. Mặc dù công nghệ này có thể mang lại lợi ích cho an ninh mạng, nhưng nhiều người cũng lo lắng rằng nếu các máy tính này phổ biến rộng rãi hơn, internet có thể trở nên kém an toàn hơn vì các thuật toán bảo mật cũ hơn dễ bị phá vỡ bởi các máy tính mới này. Một trong những cá nhân này là Walid Rjaibi, Kỹ sư Xuất sắc của IBM và Giám đốc Kỹ thuật về Bảo mật Dữ liệu tại IBM. Rjaibi, cùng với hai tác giả khác, đã viết một báo cáo cho IBM về những lợi ích và rủi ro của tính toán lượng tử trong an ninh mạng. Rjaibi giải thích: “Giống như hầu hết mọi người trong ngành, trọng tâm của tôi cho đến nay là giải quyết những rủi ro mà máy tính lượng tử gây ra đối với an ninh mạng”. “Như bạn có thể đã biết, tại một số thời điểm trong tương lai, máy tính lượng tử sẽ có thể phá vỡ một số thuật toán mật mã quan trọng đang được sử dụng ngày nay như RSA, Diffie-Hellman và những thuật toán khác. Vì vậy, rất nhiều công việc đã được nghiên cứu để đưa ra các thuật toán thay thế sẽ an toàn ngay cả khi chống lại các cuộc tấn công của các thực thể độc hại sử dụng máy tính lượng tử ”. Điều này tạo ra một cuộc chiến thuật toán liên tục, khi các thuật toán bị máy tính lượng tử phá vỡ và những thuật toán mới phải được tạo ra để duy trì bảo mật. Các công ty khác như QuSecure tập trung vào an ninh mạng hậu điện toán lượng tử. Theo một QuSecure gần đây webinar, Người đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của công ty, Skip Sanzeri cho biết: "Mối đe dọa dường như đang trở nên tồi tệ hơn ở đó." 

Nhiều người như Rjaibi lo lắng rằng những người có máy tính này có thể có lợi thế trong việc giải mã tin nhắn của người khác hoặc mã hóa thông điệp của chính họ mà ít người khác có thể đọc được, vì máy tính lượng tử hiện chỉ được một số ít người sử dụng. Để vượt qua giai đoạn bất bình đẳng có thể xảy ra này, các công ty như KÉT Bảo mật lượng tử đang cố gắng làm cho công nghệ này dễ tiếp cận hơn với những người khác sử dụng công nghệ chip tích hợp và kiến ​​trúc linh hoạt cho các mạng. “KETS đang phát triển các công nghệ bảo mật lượng tử tiên tiến có thể thực hiện các nhiệm vụ mật mã cụ thể theo cách an toàn nhất có thể,” Giám đốc điều hành và Đồng sáng lập KETS giải thích Chris Erven. “Bên cạnh việc bảo mật tối đa, chúng tôi là những người tiên phong đưa phương pháp tiếp cận dựa trên chip vào các giải pháp này. Điều này có nghĩa là đối với khách hàng là chúng tôi sẽ có thể giảm chi phí của các hệ thống này trên quy mô lớn (một rào cản chính) cũng như phát triển một loạt các yếu tố hình thức khác nhau nhỏ hơn và dễ dàng tích hợp hơn nhiều (một rào cản chính khác) . ” Các hệ thống như thế này có thể giúp giảm chi phí của công nghệ này và làm cho mã hóa lượng tử trở nên phổ biến hơn. 

Một mạng hậu lượng tử

Đối với những người nhìn về phía trước, đã qua cuộc chiến của các thuật toán cho đến khi công nghệ này dễ tiếp cận hơn, có những vấn đề khác nảy sinh. Về cơ bản, khi mã hóa lượng tử trở thành cấp độ an ninh mạng tiếp theo, thì cấp độ nào vượt quá mức đó? Vì an ninh mạng là một ngành đang phát triển không ngừng (chủ yếu giữa tin tặc và nhà phát triển) nên công nghệ lượng tử có thể chỉ là một giai đoạn của quá trình phát triển nhưng có thể là giai đoạn quan trọng nhất, chuyển ngành công nghiệp an ninh mạng thành một thế giới hậu lượng tử.

Kenna Hughes-Castleberry là nhà văn nhân viên của Inside Quantum Technology và Science Communicator tại JILA (hợp tác giữa Đại học Colorado Boulder và NIST). Những nhịp điệu viết lách của cô ấy bao gồm công nghệ sâu, siêu nghịch đảo và công nghệ lượng tử.