W czasach II wojny światowej Enigma wydawała się maszyną nie do pokonania. Niemcy byli przekonani, że skomplikowany system wirników i codziennie zmieniane klucze czynią ich łączność praktycznie niewidzialną dla wroga. Historia potoczyła się inaczej: po drugiej stronie frontu pracowali matematycy, inżynierowie i kryptolodzy, którzy krok po kroku rozbierali tę pewność na czynniki pierwsze, aż w końcu Enigma stała się symbolem złudnego poczucia bezpieczeństwa. Szyfr, który miał być absolutny, okazał się tylko kwestią czasu, sprytu i rosnącej mocy obliczeniowej, a dziś stoimy w podobnym punkcie zwrotnym, ale stawka jest znacznie większa, bo w grę nie wchodzi tu pojedynczy konflikt zbrojny.
Nowe systemy oparte na mechanice kwantowej mają być właśnie taką współczesną Enigmą, ale z jedną kluczową różnicą – tym razem fundamentem bezpieczeństwa nie jest przewaga nad przeciwnikiem w matematyce czy mocy obliczeniowej, lecz same prawa fizyki. W takim ujęciu podsłuch nawet realizowany przez komputery kwantowe przestaje być cichą operacją, a czymś, czego nie da się ukryć. W grę wchodzi więc szyfr, który uczy się na błędach historii i ma pozostać odporny także wtedy, gdy nasze dzisiejsze pojęcie “silnego szyfrowania” przejdzie do annałów techniki.
Fizyka kwantowa tworzy nieprzeniknioną barierę
Obecne systemy kryptograficzne, takie jak RSA, opierają się na założeniu, że rozkład dużych liczb na czynniki pierwsze zajmie konwencjonalnym komputerom niepraktycznie dużo czasu. Niestety, komputery kwantowe mogą radykalnie zmienić te obliczenia – to, co dziś zajmuje tysiące lat, w przyszłości może być kwestią godzin. Dlatego właśnie kwantowa kryptografia budzi takie zainteresowanie, bo oferuje ochronę, która nie zależy od mocy obliczeniowej potencjalnego przeciwnika.
Podstawą nowego podejścia jest technologia wykorzystująca zasady mechaniki kwantowej do ochrony danych. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod szyfrowania, które polegają na skomplikowanych obliczeniach matematycznych, ta koncepcja wykorzystuje fundamentalne prawa fizyki. Kluczową rolę odgrywa tu zjawisko, które uniemożliwia niepostrzeżone podsłuchiwanie, bo każda próba przechwycenia informacji natychmiast zmienia stan kwantowy przesyłanych cząstek, alarmując zarówno nadawcę, jak i odbiorcę.
W praktyce kluczowe są dziś dwa równoległe nurty: kryptografia postkwantowa oraz kryptografia kwantowa. Ta pierwsza nadal korzysta z klasycznych kanałów komunikacji, ale zastępuje dotychczasowe algorytmy nowymi, odpornymi na znane dziś ataki kwantowe. Oparte są one na strukturach matematycznych, które trudno jest “rozplątać” nawet przy użyciu kubitów – mowa między innymi o układach kratowych czy wielomianach nad ciałami skończonymi. Stanowi to kierunek, w którym idą m.in. prace standaryzacyjne prowadzone przez NIST, a także nowe sprzętowe szyfratory klasy rządowej prezentowane ostatnio na europejskich wydarzeniach poświęconych cyberbezpieczeństwu.
Czytaj też: FireAnt kontra pancerne kolosy. Jak mały robot może zniszczyć czołg wart miliony?
Kryptografia kwantowa idzie o krok dalej i zamiast “uciekać do przodu” z poziomem złożoności matematycznej, sięga po zupełnie inny fundament – pojedyncze fotony i ich stany kwantowe. W najprostszej wersji rolę nowoczesnego, “niezłamalnego” elementu pełnią tutaj kwantowe klucze dystrybuowane za pomocą dedykowanych łączy optycznych. Samo szyfrowanie danych użytkowych nadal odbywa się algorytmami klasycznymi, ale klucze, które je chronią, są generowane i przekazywane w sposób uniemożliwiający ciche podsłuchiwanie. Właśnie dlatego każda próba ingerencji zostawia po sobie ślad w postaci zaburzeń statystycznych, które można wykryć już na etapie wymiany klucza.
To rozdzielenie “świata kluczy” od “świata danych” ma ważne konsekwencje. Instytucje finansowe czy operatorzy infrastruktury krytycznej nie muszą wymieniać całej swojej sieci ani aplikacji – mogą dołożyć warstwę kwantowej dystrybucji kluczy jako dodatkowy komponent. Z punktu widzenia użytkownika końcowego wciąż jest to zwykłe połączenie szyfrowane, ale sposób, w jaki system generuje i rozsyła tajne klucze, przestaje być podatny na ataki typu “zapisz teraz, złam za kilka lat na komputerze kwantowym”. W tle pozostaje jednak trudna część układanki – infrastruktura. Światłowody o odpowiednich parametrach, stabilne źródła pojedynczych fotonów, precyzyjna optyka i bezpieczeństwo fizyczne węzłów sprawiają, że na razie mówimy o technologii szytej pod potrzeby państw, armii i największych instytucji. Jednocześnie pierwsze wdrożenia pokazują, że ten model da się przenieść poza laboratorium, choć na razie jest to technologia luksusowa.
Od teorii do praktycznych zastosowań, bo czekać już nie trzeba
Chociaż może się to wydawać odległą przyszłością, to pierwsze wdrożenia kwantowych systemów zabezpieczeń już funkcjonują. Chiny uruchomiły kwantową sieć łączącą Pekin z Szanghajem, a europejskie instytucje finansowe testują tę technologię do ochrony wrażliwych transakcji. Sektor obronny i rządowy również intensywnie inwestuje w te rozwiązania, widząc w nich szansę na długoterminowe zabezpieczenie najtajniejszych informacji.
Prawdziwym wyzwaniem pozostaje infrastruktura. Przesyłanie kwantowych kluczy na większe odległości wymaga specjalnych światłowodów, a koszty instalacji sięgają milionów złotych. Naukowcy pracują jednak nad rozwiązaniami, które mogą obniżyć te bariery, a w tym nad kwantowymi wzmacniaczami sygnału pozwalającymi na transmisję na dowolne odległości.
Patrząc realistycznie, kwantowa kryptografia nie zastąpi nagle wszystkich obecnych rozwiązań. Będzie raczej uzupełnieniem tradycyjnych metod i to stosowanym tam, gdzie bezpieczeństwo ma absolutny priorytet. Stopniowe obniżanie kosztów i upowszechnianie technologii może jednak sprawić, że za kilkanaście lat stanie się standardem w kluczowych obszarach, oferując poziom ochrony, o którym dotąd mogliśmy tylko marzyć.