Spiegatore: cos'è la crittografia post-quantistica?

La signora Tech

Questo è il terzo di una serie di spiegazioni sulla tecnologia quantistica. Gli altri due riguardano il calcolo quantistico e la comunicazione quantistica.

Pochi di noi pensano molto al minuscolo simbolo del lucchetto che appare nei nostri browser web ogni volta che utilizziamo un sito di e-commerce, inviamo e riceviamo e-mail o controlliamo i nostri conti bancari o di carte di credito. Ma è un segnale che i servizi online utilizzano HTTPS, un protocollo Web che crittografa i dati che inviamo su Internet e le risposte che riceviamo. Questa e altre forme di crittografia proteggono tutti i tipi di comunicazioni elettroniche, nonché cose come password, firme digitali e cartelle cliniche.

I computer quantistici potrebbero minare queste difese crittografiche. Le macchine non sono abbastanza potenti per farlo oggi, ma si stanno evolvendo rapidamente. È possibile che in poco più di un decennio, e forse anche prima, queste macchine possano rappresentare una minaccia per i metodi di crittografia ampiamente utilizzati. Ecco perché i ricercatori e le società di sicurezza stanno correndo per sviluppare nuovi approcci alla crittografia che saranno in grado di resistere ai futuri attacchi quantistici montati dagli hacker.

Come funziona la crittografia digitale?

Esistono due tipi principali di crittografia. La crittografia simmetrica richiede che un mittente e un destinatario dispongano di chiavi digitali identiche per crittografare e decrittografare i dati, mentre la crittografia asimmetrica, o a chiave pubblica, utilizza una chiave disponibile pubblicamente per consentire alle persone di crittografare i messaggi per un destinatario che è l'unico detentore della chiave privata necessario per decodificarli.

A volte questi due approcci vengono utilizzati insieme. Nel caso di HTTPS, ad esempio, i browser Web utilizzano la crittografia a chiave pubblica per verificare la validità dei siti Web e quindi stabiliscono una chiave simmetrica per crittografare le comunicazioni.

L'obiettivo è impedire agli hacker di utilizzare enormi quantità di potenza di calcolo per cercare di indovinare le chiavi utilizzate. Per fare ciò, i metodi di crittografia più diffusi, incluso uno noto come RSA e un altro chiamato crittografia a curva ellittica, utilizzano in genere le cosiddette funzioni trapdoor, costrutti matematici che sono relativamente facili da calcolare in una direzione per creare chiavi, ma sono molto difficili per un avversario decodificare.

Gli hacker potrebbero tentare di decifrare un codice provando tutte le possibili variazioni di una chiave finché una non funziona. Ma i difensori rendono loro la vita davvero difficile usando coppie di chiavi molto lunghe, come l'implementazione RSA a 2.048 bit, che rende una chiave lunga 617 cifre decimali. L'esecuzione di tutte le possibili permutazioni per ricavare le chiavi private potrebbe richiedere molte migliaia, se non milioni, di anni sui computer convenzionali.

Perché i computer quantistici sono una minaccia per la crittografia?

Perché potrebbero aiutare gli hacker a risalire attraverso botole algoritmiche molto più velocemente. A differenza dei computer classici, che utilizzano bit che possono essere entrambi uno s o 0 s, le macchine quantistiche utilizzano qubit che possono rappresentare numerosi possibili stati di uno e 0 allo stesso tempo, un fenomeno noto come sovrapposizione. Possono anche influenzarsi a distanza, grazie a un fenomeno noto come entanglement.

Grazie a questi fenomeni, l'aggiunta di pochi qubit in più può portare a salti esponenziali nella potenza di elaborazione. Una macchina quantistica con 300 qubit potrebbe rappresentare più valori di quanti siano gli atomi nell'universo osservabile. Supponendo che i computer quantistici possano superare alcune limitazioni intrinseche alle loro prestazioni, potrebbero eventualmente essere utilizzati per testare tutte le possibili permutazioni di una chiave crittografica in un tempo relativamente breve.

È anche probabile che gli hacker sfruttino algoritmi quantistici che ottimizzano determinati compiti. Uno di questi algoritmi, pubblicato da Lov Grover dei Bell Labs di AT&T nel 1996, aiuta i computer quantistici a cercare possibili permutazioni molto più velocemente. Un altro, pubblicato nel 1994 da Peter Shor, che allora era ai Bell Labs e ora è un professore del MIT, aiuta le macchine quantistiche a trovare i fattori primi degli interi in modo incredibilmente veloce.

L'algoritmo di Shor rappresenta un rischio per i sistemi di crittografia a chiave pubblica come RSA, le cui difese matematiche si basano in parte su quanto sia difficile decodificare il risultato della moltiplicazione di numeri primi molto grandi insieme. Un rapporto sull'informatica quantistica pubblicato l'anno scorso dalle accademie nazionali di scienze, ingegneria e medicina degli Stati Uniti prevedeva che un potente computer quantistico che esegue l'algoritmo di Shor sarebbe in grado di decifrare un'implementazione a 1.024 bit di RSA in meno di un giorno.

I computer quantistici violeranno presto le difese crittografiche?

È altamente improbabile. Lo studio delle National Academies afferma che per rappresentare una vera minaccia, le macchine quantistiche avranno bisogno di molta più potenza di elaborazione di quella raggiunta dalle migliori macchine quantistiche di oggi.

Tuttavia, quello che alcuni ricercatori di sicurezza chiamano Y2Q, l'anno in cui il cracking del codice quantistico diventa un grave mal di testa, potrebbe insinuarsi sorprendentemente velocemente. Nel 2015, i ricercatori hanno concluso che un computer quantistico avrebbe bisogno di un miliardo di qubit per poter decifrare abbastanza comodamente il sistema RSA a 2.048 bit; un lavoro più recente suggerisce che un computer con 20 milioni di qubit potrebbe svolgere il lavoro in sole otto ore.

Questo è ancora ben oltre le capacità della macchina quantistica più potente di oggi, con 128 qubit (vedi il nostro contatore di qubit qui ). Ma i progressi nell'informatica quantistica sono imprevedibili. Senza difese crittografiche a sicurezza quantistica in atto, tutti i tipi di cose, dai veicoli autonomi all'hardware militare, per non parlare delle transazioni finanziarie e delle comunicazioni online, potrebbero essere presi di mira dagli hacker con accesso ai computer quantistici.

Qualsiasi azienda o governo che pianifichi di archiviare i dati per decenni dovrebbe pensare ora ai rischi che la tecnologia comporta, perché la crittografia che usano per proteggerli potrebbe in seguito essere compromessa. Possono volerci molti anni per tornare indietro e ricodificare montagne di dati storici con difese più solide, quindi sarebbe meglio applicarle ora. Da qui una grande spinta allo sviluppo della crittografia post-quantistica.

Che cos'è la crittografia post-quantistica?

È lo sviluppo di nuovi tipi di approcci crittografici che possono essere implementati utilizzando i computer classici di oggi, ma saranno impermeabili agli attacchi di quelli quantistici di domani.

Una linea di difesa consiste nell'aumentare le dimensioni delle chiavi digitali in modo che il numero di permutazioni che devono essere ricercate utilizzando la potenza di calcolo bruta aumenti in modo significativo. Ad esempio, il semplice raddoppio della dimensione di una chiave da 128 bit a 256 bit quadra in modo efficace il numero di possibili permutazioni che una macchina quantistica che utilizza l'algoritmo di Grover dovrebbe cercare.

Un altro approccio consiste nel trovare funzioni di botola più complesse che anche una macchina quantistica molto potente che esegue un algoritmo come quello di Shor farebbe fatica a decifrare. I ricercatori stanno lavorando su un'ampia gamma di approcci, compresi quelli dal suono esotico come la crittografia basata su reticolo e lo scambio di chiavi isogeniche supersingolari.

L'obiettivo è quello di concentrarsi su uno o pochi metodi che possono essere ampiamente adottati. Il National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti ha avviato un processo nel 2016 per sviluppare standard per la crittografia post-quantistica per uso governativo. È pronto ridotto a 26 una serie iniziale di 69 proposte , ma afferma che è probabile che sia intorno al 2022 prima che inizino a emergere le bozze di standard.

La pressione aumenta perché le tecnologie di crittografia sono profondamente integrate in molti sistemi diversi, quindi svelarle e implementarne di nuove può richiedere molto tempo. Lo studio delle National Academies dell'anno scorso ha rilevato che ci sono voluti più di un decennio per ritirare completamente un approccio crittografico ampiamente diffuso che si è dimostrato imperfetto. Data la velocità con cui si sta evolvendo l'informatica quantistica, il mondo potrebbe non avere molto tempo per affrontare questa nuova minaccia alla sicurezza.

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