Постквантовая криптография: как работает метод шифрования будущего

Развитие квантовых вычислений создает беспрецедентную угрозу для современных методов защиты данных. Государственная, профессиональная и коммерческая тайны, финансовые и персональные данные — все это в два счета перестанет быть конфиденциальным, как только злоумышленник получит доступ к мощным квантовым компьютерам. Однако на помощь классической криптографии приходит новая — постквантовая. Что такое постквантовые алгоритмы и почему готовиться к новому типу кибератак надо уже сейчас.

Зачем требуется шифрование

О какой бы криптографии ни заходила речь, окружающие зачастую считают, что это их мало касается. Крупный бизнес — да, а вот нас с вами — едва ли. Конечно, это не так. Покупки в интернет-магазинах, переписки в мессенджерах и социальных сетях, интернет-серфинг по пути на работу — все эти активности неразрывно связаны с шифрованием данных. Простой пример — защищенное соединение https, которое преобразует передаваемые в сети данные в зашифрованный формат и не дает посторонним прямой доступ к конфиденциальной информации.

Современная классическая криптография может быть симметричной и асимметричной. В симметричной для шифровки и расшифровки сообщения используется всего один ключ: отправитель делится им с получателем, и тот успешно применяет его для чтения зашифрованных данных. Однако если ключ кто-то перехватит, вся эффективность защиты сводится к нулю. В асимметричной криптографии присутствуют уже два ключа: открытый и закрытый.

Первый необходим, чтобы зашифровать данные, второй — чтобы расшифровать. Несмотря на то, что оба ключа связаны между собой математической функцией, без закрытого ключа доступ к данным не получить: ни привычные нам персональные компьютеры, ни суперкомпьютеры справиться с этой задачей не смогут из-за недостатка вычислительных мощностей.

Квантовая угроза

Между тем возможность взломать асимметричный шифр существует: алгоритм, способный справиться с этой задачей, еще в 1994 году разработал ученый Питер Шор. Реализовать этот алгоритм позволяет квантовый компьютер. В отличие от обычных устройств, работающих на основе полупроводниковых технологий, мощность квантовых растет экспоненциально. Поэтому их возможности значительно превосходят любые инструменты, которые сегодня используют хакеры.

Современные квантовые компьютеры пока не обладают мощностью достаточной для взлома систем на основе асимметричного шифрования. Но с начала 2000-х такие технологические гиганты, как IBM, Google, Intel ведут разработки по развитию квантовых вычислений, что приближает нас к кибератакам нового типа. По мнению большинства экспертов, первые случаи подобных атак могут быть зафиксированы до 2030 года. Впрочем, аналитики McKinsey предостерегают, что финансовый и государственный секторы, а также страховая индустрия могут столкнуться с ними уже в ближайшие два года.

Это подводит нас к понятию квантовой угрозы — риска, что злоумышленники могут уже сегодня сохранять конфиденциальные данные, зашифрованные асимметричной криптографией, чтобы дешифровать их в будущем при первой появившейся возможности. Неважно каким образом хакеры получат доступ к квантовым устройствам — будет ли это социальный инжиниринг, облачная платформа квантовых вычислений или трудоустройство в компанию-разработчика квантовых компьютеров. Важно лишь то, что все накопленные данные, актуальные на тот момент, будут расшифрованы и приведут к колоссальным потерям. Поэтому защищать их необходимо уже сегодня.

К таким данным с длинным жизненным циклом относятся в том числе персональные данные клиентов банков и других финансовых организаций, медицинских учреждений и мобильных операторов, а также информация, представляющая коммерческую и государственную тайны.

Постквантовое шифрование

В ответ на квантовую угрозу специалисты по информационной безопасности стали разрабатывать новые методы защиты. Самым оптимальным по стоимости и скорости интеграции стали решения на основе постквантовых алгоритмов. Такие алгоритмы строятся на сложных математических задачах, при решении которых квантовые компьютеры не получают вычислительного преимущества. Стойкость постквантового шифрования гарантируется математическими доказательствами секретности каждого из алгоритмов — все они проверяются мировым научным математическим сообществом.

В частности, это алгоритмы, основанные на линейных кодах, теории решеток и хеш-функциях. Первый тип (code-based) основан на гипотезе, что декодировать случайный линейный код очень сложно. Первый алгоритм такого типа появился еще в 1978 году — это была система McEliece, одна из первых систем с открытым ключом. В тот момент об атаках с использованием квантового компьютера не было и речи, однако после появления алгоритма Шора, способного легко взломать используемое повсеместно шифрование, криптографы-исследователи вновь заинтересовались алгоритмом McEliece.

Другой тип схем постквантовой криптографии — алгоритмы на основе теории решеток. Такие схемы хорошо изучены и легко применимы на практике, в частности, их использует IBM в своих приложениях безопасности.

В постквантовом шифровании применяется и один из самых популярных криптографических инструментов — хеш-функция. Хеширование — это преобразование произвольного объема данных в уникальный набор символов фиксированной длины, расшифровать который очень сложно. А постквантовые алгоритмы с использованием хеш-функции делают декодирование сообщения невозможным, во всяком случае, всеми известными методами. Хеш-функция может лежать в основе электронной подписи, в частности, эта модель сейчас прорабатывается в России.

Пора применять

Над интеграцией и пилотированием криптографических алгоритмов в свои продукты уже работают такие гиганты рынка, как Microsoft, Google, Verizon, Thales, Toshiba, Amazon, Cloudflare.

Так, весной 2022 года IBM представила новое поколение мейнфреймов (универсальных высокопроизводительных серверов) z16, которые используют для защиты данных постквантовую криптографию. z16 оснащен ускорителем на базе искусственного интеллекта, что позволяет быстро обрабатывать огромные объемы информации. Это критично, в частности, для финансовых компаний и медицинских организаций, то есть тех, чьи данные обладают долгим циклом жизни. Именно поэтому для их защиты IBM применяет продукты в области постквантового шифрования, построенные на теории решеток.

В то же время южнокорейский мобильный оператор LG Uplus (принадлежит LG Group) выпустил коммерческий сервис для проводной и беспроводной связи, устойчивый к атакам с помощью квантового компьютера. А уже осенью LG Electronics объявила, что будет использовать этот метод защиты для ряда задач, в том числе в технологии V2X (vehicle to everything) — обмена данными между автомобилями и объектами дорожной инфраструктуры.

В октябре 2022 года компания Cloudflare объявила о запуске поддержки постквантовой криптографии для всех веб-сайтов и API, обслуживаемых через ее сеть. По сути это делает доступным квантовое шифрование для 19% мировых веб-ресурсов. Это наглядно демонстрирует, насколько критично к квантовой угрозе относится одна из крупнейших сетевых инфраструктур.

В России работа по пилотированию постквантовых продуктов также идет полным ходом: в июне 2022 года отечественные специалисты подтвердили совместимость постквантового шифрования с российскими процессорами Baikal-M, в октябре — с процессорами «Эльбрус». Первой в стране финансовой организацией, пилотировавшей постквантовые алгоритмы, стал Газпромбанк — в 2022 году он обеспечил квантово-устойчивую защиту host-to-host соединения при проведении финансовых поручений.

Финальный штрих

На сегодняшний день постквантовая криптография находится на стадии стандартизации. В США этот процесс курирует Национальный институт стандартов и технологий (NIST). На конкурсной основе эксперты выбирают наиболее квантово-устойчивые алгоритмы, которые лягут в основу стандартов постквантового шифрования. В 2022 году институт выбрал четыре алгоритма — они станут частью постквантового криптографического стандарта, окончательная доработка которого ожидается примерно через два года. В то же время Белый дом обязал госструктуры уже к маю 2023 года совершить всецелую подготовку к переходу на постквантовые алгоритмы.

В России разработкой стандартов постквантовых алгоритмов занялись в 2019 году под руководством Технического комитета 26, куда входят представители государственных и коммерческих организаций. Ожидается, что отечественные стандарты будут утверждены к 2024–2025 году. Рынок вступил в фазу активного формирования, а значит уже в ближайшие один-два года число пилотных проектов мирового уровня вырастет в разы.