• TWEAK
• Teknologi

Kvantecomputere øger privatlivets bekymringer

Mens nutidens kvantecomputere har givet os et glimt af, hvad teknologien er i stand til, har den stadig ikke formået at nå noget nær sit højest mulige potentiale. Alligevel tyder det på at give cybersikkerhedsfagfolk panderynker.

Quantum Computing er maskiner, der bruger egenskaberne ved kvantemekanik, som superposition og sammenfiltring, til at løse komplekse problemer. De leverer typisk enorme mængder processorkraft, der er en størrelsesorden højere end selv de største og mest magtfulde moderne supercomputere. Dette giver dem mulighed for at knuse visse beregningsproblemer, såsom heltal faktorisering, væsentligt hurtigere end almindelige computere.

Introduceret i 2019 siges det, at Googles Sycamore-processor på 53 qubit har opnået kvanteoverlegenhed og skubbet grænserne for, hvad teknologien kan bringe. Quantum Computing kan angiveligt gøre på tre minutter, hvad en klassisk computer ville tage omkring 10.000 år at gennemføre. Selv om dette burde være godt nyt for forskere inden for mange områder, har det også rejst ubehagelige spørgsmål om privatlivets fred, som forskere nu kæmper for at løse.

Forskellen mellem kvantecomputere og traditionelle computere

Den første og største forskel mellem kvantecomputere og traditionelle computere er i den måde, de koder information på. Mens sidstnævnte koder information i binære ”bits”, der enten kan være 0 eller 1, i, er den grundlæggende hukommelsesenhed en kvantebit eller ”qubit2 i kvantecomputere, hvis værdi kan være enten ”1” eller ”0”, eller ”1 OG 0” samtidigt. Dette gøres ved såkaldt ”superposition” - det grundlæggende princip for kvantemekanik, der beskriver, hvordan kvantepartikler kan rejse i tid, eksistere flere steder på én gang og endda teleportere.

Superposition tillader to qubits at repræsentere fire scenarier på samme tid i stedet for at analysere en ”1” eller en ”0” sekventielt. Evnen til at påtage sig flere værdier på samme tid er den primære årsag til, at qubits reducerer den tid, det tager at knuse et datasæt eller udføre komplekse beregninger, betydeligt.

En anden stor forskel mellem kvantecomputere og konventionelle computere er fraværet af såkaldt ”quantum computing language per se”

I klassisk computing afhænger programmering af computersprog (AND, OR, NOT), men med kvantecomputere findes denne form for luksus ikke. Det skyldes, at de i modsætning til almindelige computere ikke har en processor eller hukommelse, som vi kender det fra traditionelle computere. I stedet er der kun en gruppe qubits til at skrive information uden kompliceret hardware-arkitektur i modsætning til konventionelle computere.

Dybest set er de relativt enkle maskiner sammenlignet med traditionelle computere, men kan stadig tilbyde den performance, der kan udnyttes til at løse meget specifikke problemer. Med kvantecomputere bruger forskere typisk algoritmer (matematiske modeller, der også fungerer på traditionelle computere), der kan levere løsninger på lineære problemer. Disse maskiner er dog ikke så alsidige som konventionelle computere og er ikke egnede til dagligdagsopgaver.

Potentielle anvendelser af Kvantecomputering

Kvantecomputering er stadig ikke det modne produkt, som nogle troede, at det ville være ved udgangen af det sidste årti. Det tilbyder dog stadig nogle fascinerende brugsscenarier. Det bedste eksempel på det er ustruktureret søgning, som involverer at finde et bestemt element i en database.

Mange tror også, at en af de største anvendelsestilfælde af kvanteberegning vil være kvantesimulering, som er vanskelig at studere i laboratoriet og umulig at modellere med en supercomputer. Dette skal i teorien hjælpe fremskridt inden for både kemi og nanoteknologi, selvom selve teknologien stadig ikke er helt klar.

Et andet område, der kan drage fordel af fremskridt inden for kvantecomputering, er machine learning. Mens forskning inden for dette område stadig er i de spæde udviklingskridt, mener fortalere for kvantecomputer, at den lineære algebraiske karakter af kvanteberegning vil gøre det muligt for forskere at udvikle kvantealgoritmer, der kan fremskynde maskinlæringsopgaver.

Dette bringer os frem til næste brugsscenarie inden for kvantecomputere - kryptografi. Den voldsomme hastighed, hvormed kvantecomputere kan løse lineære problemer, illustreres bedst i den måde, hvorpå de kan dekryptere offentlig nøglekryptografi.

Er Quantum Computing slutningen på det digitale privatliv?

Ovennævnte kryptografiske algoritmer antages at være beregningsmæssigt umulige med traditionelle supercomputere og bruges typisk til at kryptere sikre websider, krypteret e-mail og andre typer data. Imidlertid ændres det med kvantecomputere, som i teorien kan løse alle disse komplekse problemer ved hjælp af Shors algoritme, hvilket i det væsentlige gør moderne kryptering utilstrækkelig i lyset af mulige angreb.

Det faktum, at kvantecomputere kan bryde al traditionel digital kryptering, kan have betydelige konsekvenser for elektronisk privatliv og sikkerhed for borgere, regeringer og virksomheder. En kvantecomputer kunne effektivt knække en 3.072-bit RSA-nøgle, en 128-bit AES-nøgle eller en 256-bit elliptisk kurvetast, da den let kan finde deres faktorer ved i det væsentlige at reducere dem til kun 26-bits.

Mens en 128-bit nøgle er næsten umulig at knække inden for en fastsat tidsramme. Selv for de mest kraftfulde supercomputere, kan en 26-bit nøgle let knækkes ved hjælp af en almindelig hjemme-pc. Hvad det betyder er, at al kryptering, der bruges af banker, hospitaler og statslige organer, reduceres til noget nær ubrugelig, hvis ondsindede aktører, herunder slyngelstater, kan bygge kvantecomputere, der er store nok og stabile nok til at understøtte deres hackerplaner.

 Det er dog ikke lutter undergang for vores globale digital sikkerhed. Eksisterende kvantecomputere mangler processorkraft til at nedbryde kryptografisk algoritme, så dine bankoplysninger er stadig sikre mod disse former for angreb, indtil videre. Hvad mere er, den samme evne, der potentielt kan decimere al moderne offentlig nøglekryptografi, udnyttes også af forskere til at skabe ny, hackesikker ”post-quantum-kryptografi”, der potentielt kan ændre landskabet for datasikkerhed i de kommende år.

For øjeblikket menes mange velkendte krypteringsalgoritmer med offentlige nøgler allerede at være sikret mod angreb fra kvantecomputere. Dette inkluderer IEEE Std 1363.1 og OASIS KMIP, som begge allerede beskriver kvante-sikre algoritmer. Organisationer kan også undgå potentielle angreb fra kvantecomputere ved at skifte til AES-256, som giver et tilstrækkeligt niveau af sikkerhed mod kvantecomputere.

Udfordringer, der forhindrer en kvante revolution

På trods af sit enorme potentiale har kvantecomputere været”næste generations” teknologi i årtier uden at gå over til en levedygtig løsning til generel brug. Der er flere grunde til det, og adressering af de fleste af disse har hidtil vist sig at være uden for moderne teknologi.

For det første kan de fleste kvantecomputere kun fungere ved en temperatur på -273 ° C (-459 ° F), en brøkdel af en grad over absolut nul (0 grader Kelvin). Som om det ikke er nok, kræver det næsten nul atmosfærisk tryk og skal isoleres fra Jordens magnetfelt.

Selvom det umildbart er en enorm udfordring at nå disse temperaturer, mødes vi også af et andet problem. De elektroniske komponenter, der kræves for at kontrollere qubits, fungerer ikke under disse kølige forhold. At forbinde dem med temperaturbestandige ledninger fungerer til rudimentære kvantechips, der er i brug i dag, men efterhånden som teknologien udvikler sig, forventes ledningens kompleksitet at blive en massiv udfordring.

Bundlinjen er, at forskere nødt til at finde en måde at få kvantecomputere til at arbejde ved mere fornuftige temperaturer for at skalere teknologien til kommerciel brug. Heldigvis arbejder fysikere allerede på det, og sidste år offentliggjorde to sæt forskere fra University of New South Wales i Australien og QuTech i Delft, Holland, papirer, der hævdede at have oprettet silicon-baserede kvantecomputere, der fungerer ved fuld grad over absolut nul.

Allerede kendte kvantecomputere

Ud over den 53-qubit Sycamore-processor, der blev nævnt tidligere, viste Google også en gate-baseret kvanteprocessor kaldet ”Bristlecone” på det årlige American Physical Society-møde i Los Angeles tilbage i 2018.

Google Bristlecone / Image credit: Google

IBM afslørede også sin første kvantecomputer, Q, i 2019 med løftet om at muliggøre ”universelle kvantecomputere”, der kunne operere uden for forskningslaboratoriet for første gang. Beskrevet som verdens første integrerede kvantecomputersystem til kommerciel brug, er det designet til at løse problemer uden for rækkevidde af klassiske computere inden for områder som finansielle tjenester, lægemidler og kunstig intelligens.

IBM Q System One under CES 2020 i Las Vegas

Honeywell International har også annonceret sin egen kvantecomputer. Virksomheden meddelte i juni sidste år, at de har skabt ”verdens mest magtfulde kvantecomputer”. Med et kvantevolumen på 64 siges det, at Honeywell-kvantecomputeren er dobbelt så stærk som sin nærmeste konkurrent, hvilket kunne bringe teknologien ud af laboratorierne til at løse virkelige beregningsproblemer, der er upraktiske at løse med traditionelle computere.

Honeywell Quantum Computer / Image credit: Honeywell

Forskellen mellem kvantecomputere og traditionelle computere er så massiv, at førstnævnte muligvis aldrig kommer til at erstatte sidstnævnte. Men med korrekt fejlkorrektion og bedre energieffektivitet kunne vi forhåbentlig se mere allestedsnærværende brug af kvantecomputere fremadrettet. Og når det sker, vil det være interessant at se, om det vil udfordre vores digitale sikkerhed, som vi kender det, eller varsle en ny digital kryptografi.

Source & Image credit:

Google, IBM, Honeywell International , Shors