A titkosítás három rétegű tornya
A kriptográfiát elképzelhetjük úgy, mint egy három részre tagolt tornyot. Az alsó szinten található az a „szikla”, amelyet a nehéz matematikai problémák alkotnak. Erre épül a középső réteg, a titkosítás alapvető építőkockái, például az egyirányú függvények. Ezek teszik lehetővé, hogy az üzenetet titkosítsuk, de csak a megfelelő kulccsal lehessen visszafejteni. Végül a felső szinten maguk a mindennapi titkosítási protokollok, mint például az üzenetküldés.
A kriptográfia gyenge pontja és a kvantumfordulat
Az egész rendszer Achilles-sarka, hogy az alapul szolgáló problémák – az úgynevezett NP-problémák – bár nehéznek tűnnek, matematikailag nem bizonyított, hogy valóban feltörhetetlenek. Nem lehet kizárni, hogy valaki egy nap előáll egy hatékony algoritmussal ezek megoldására, és ezzel az egész klasszikus titkosítás megszűnne. Ráadásul egyszerűen nem lehet a tornyot egy másik matematikai kihívásra átültetni, mert az egyirányú függvények csak ezekhez kapcsolódnak.
Ez a helyzet változott meg néhány éve, amikor kutatók rájöttek, hogy a kvantumfizika segíthet új alapokat teremteni. Egy egyetemi hallgató, Kretschmer, felfedezett egy különös problémát a kvantumrendszerek tulajdonságaival kapcsolatban, amelyet elméletileg egy újfajta titkosítási alapként lehet használni. Ez a módszer akkor is működhet, ha a hagyományos matematikai problémák egyszerűvé válnak.
A levegővár problémája
Az első kvantumalapú titkosítási próbálkozások azonban egy hiányosságra épültek: úgynevezett orákulumokra, azaz elméleti eszközökre, amelyek a valóságban nem léteznek. Az egész olyan volt, mintha egy kastélyt a felhők közé rajzolnánk, szilárd alap nélkül.
Új alapok keresése: kvantum egyirányú állapotgenerátor
2022-ben egy amerikai kriptográfus, Khurana és doktorandusza, Tomer, nekiláttak egy valóban működő rendszer kidolgozásának. Első lépésként klasszikus egyirányú függvények helyett kvantumos építőkockákat kerestek, nevezetesen kvantum egyirányú állapotgenerátorokat. Ezek olyan „zárakat” hoznak létre, amelyek nem klasszikus biteken, hanem kvantumbiteken (qubit) alapulnak. Ez a kvantumalapú lakat elvben biztonságos maradhat még akkor is, ha a klasszikus lakatok feltörhetővé válnak.
Azonban ezekből a kvantumos „zárakból” nem volt könnyű felépíteni az egész rendszert; sok hónap munkára volt szükség az első áttörésig. A megoldást egy új matematikai építőkocka felfedezése jelentette, amely a klasszikus és kvantumos tulajdonságok különös keveréke volt: az úgynevezett egyirányú rejtvények (one-way puzzles). Ezekben a rejtvényekben bár van lakat és kulcs, a lakatot a kulccsal mégsem egyszerű kinyitni – ez elsőre értelmetlennek tűnhet, de elméletileg működik, ha ügyesen kombinálják további kvantumos trükkökkel.
A végső szikla: a permanens problémája
A következő lépés az volt, hogy az egész új rendszert valamilyen valóban nehéz matematikai problémára horgonyozzák le. Végül a „mátrix permanens” problémát választották, amely nagyméretű mátrixokhoz kapcsolódik, és ismerten rendkívül nehéz, ráadásul még egy-egy megoldás helyességét is nehéz leellenőrizni. Ezt jól illusztrálja, hogy míg a prímtényezőket könnyű ellenőrizni, a permanensnél nincs gyors módszer erre.
Érdemes megjegyezni, hogy ezt a problémát más kvantumfizikai előnyökkel kapcsolatos kutatások is megcélozták, és ha egyszer elméleti értelemben is bizonyítják, hogy a kvantumszámítógépek valóban nagy előnnyel oldanak meg egy adott feladatot, ezzel automatikusan a kvantumalapú titkosítás is szilárdabbá válik, mint bármely klasszikus módszer.
Kvantumtitkosítás: már csak idő kérdése
Ha tehát a matematikusok sikerrel bizonyítják, hogy a kvantumgépek adott feladatban valóban jobbak, akkor megalapozhatják a jövő biztonságos kommunikációját. Egyelőre azonban a jelenlegi kvantumszámítógépek még nem elég fejlettek ahhoz, hogy ezt a gyakorlatban is megvalósítsák, bár már léteznek olyan kvantumalapú titkosítási kísérletek, amelyek használhatók, de valós biztonságukat még vizsgálni kell. Az MI-kutatók tehát most kezdik csak igazán felfedezni azt a kvantumos világot, amely mindig is ott volt előttünk, csak fel kellett ismerni.
