Апокалипсис криптографии. Подготовка криптографии к квантовым вычислениям (4000,00 руб.)

Стр.5

Стр.8

Стр.9

Стр.10

Стр.11

Стр.12

УДК 004.382 ББК 32.973-018 Г75 Г75 Апокалипсис криптографии / пер. с англ. В. А. Яроцкого. 2-е изд. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 286 с.: ил. Граймс Р. А. ISBN 978-5-93700-050-7 В связи с бурным развитием технологий требования к компьютерной безопасности постоянно изменяются. Шифры, которые на сегодняшний день можно считать надежными, при использовании квантового компьютера будет легко взломать, и эта реальность уже не за горами. Вот почему необходимо уже сейчас готовиться к квантовому криптографическому прорыву, и эта книга послужит для читателя бесценным руководством к действию. Автор, известный специалист по компьютерной безопасности, показывает, какие приложения могут оказаться самыми уязвимыми перед квантовыми вычислениями, как лучше использовать современные технологии шифрования и как внедрить новую постквантовую криптографию для обеспечения безопасности пользователей, данных и инфраструктуры. Издание адресовано работникам служб информационной безопасности, которые принимают во внимание угрозы, возникающие с появлением квантовых вычислений, и планируют защитить свои организации от взломов информационных систем. УДК 004.382 ББК 32.973-018 All rights reserved. This Translation publish under license with the original publisher John Wiley & Sons, lnc. Russian language edition copyright © 2020 by DMK Press. All rights reserved. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. ISBN 978-1-119-61819-5 (англ.) ISBN 978-5-93700-050-7 (рус.) Copyright © by John Wiley & Sons, Inc., 2020 © Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2021

Стр.5

Содержание Краткое содержание .......................................................................................................................... 6 Об авторе ................................................................................................................................................12 Благодарности .....................................................................................................................................13 Предисловие .........................................................................................................................................15 I Учебник по квантовым вычислениям ..............................................................21 1 Введение в квантовую механику ................................................................................22 Что такое квантовая механика? ..................................................................................22 Квант противоречит интуиции ..............................................................................23 Квантовая механика реальна ................................................................................24 Основные свойства квантовой механики ...............................................................27 Фотоны и квантовая механика ..............................................................................28 Фотоэлектрический эффект ...................................................................................28 Двойственность волна–частица ...........................................................................29 Принцип вероятности ...............................................................................................34 Принцип неопределенности ..................................................................................38 Спиновые состояния и заряды ..............................................................................40 Квантовое туннелирование ....................................................................................41 Суперпозиция ...............................................................................................................42 Эффект наблюдателя .................................................................................................43 Теорема о запрете клонирования........................................................................45 Жуткая запутанность ..................................................................................................45 Декогеренция ...............................................................................................................47 Квантовые примеры в современном мире.............................................................49 Для дополнительной информации .............................................................................49 Резюме ...................................................................................................................................50 2 Введение в квантовые компьютеры .........................................................................51 В чем отличие квантовых компьютеров? ................................................................51 Традиционные компьютеры используют биты ...............................................51 Квантовые компьютеры используют кубиты ...................................................54 Квантовые компьютеры еще не готовы к прайм-тайму ..............................58 Квант скоро будет царствовать .............................................................................59 Квантовые компьютеры улучшают кубиты, используя исправление ошибок .................................................................................................60 Типы квантовых компьютеров .....................................................................................66

Стр.8

8 Содержание Сверхпроводящие квантовые компьютеры .....................................................67 Квантовые компьютеры на основе алгоритма отжига ................................68 Универсальные квантовые компьютеры ...........................................................70 Топологические квантовые компьютеры ..........................................................72 Компьютеры Majorana Fermion компании Microsoft....................................73 Квантовые компьютеры с ионными ловушками ............................................74 Квантовые компьютеры в облаке ........................................................................76 Квантовые компьютеры, произведенные не в США .....................................77 Компоненты квантового компьютера .......................................................................78 Квантовое программное обеспечение ..............................................................79 Квантовый стек ............................................................................................................79 Национальное руководство ..........................................................................................80 Руководство национальной политикой .............................................................80 Денежные гранты и инвестиции ...........................................................................80 Другая квантовая научная информация ..................................................................81 Дополнительные ресурсы ..............................................................................................82 Резюме ...................................................................................................................................82 3 Как квантовые вычисления могут взломать существующие криптокоды? ............................................................................................................................83 Основы криптографии .....................................................................................................83 Шифрование .................................................................................................................84 Хеширование ................................................................................................................98 Применение криптографии ....................................................................................99 Как квантовые компьютеры могут взломать криптокоды .............................100 Сокращение времени .............................................................................................100 Квантовые алгоритмы ............................................................................................102 Что квант может и что не может сломать .......................................................106 Все еще теория .........................................................................................................110 Резюме ................................................................................................................................111 4 Когда случится криптопрорыв? .................................................................................112 Это вечное «лет через 10» ..........................................................................................112 Факторы квантового криптопрорыва ....................................................................113 Квантовая механика реальна? ...........................................................................113 Квантовые компьютеры реальны? ....................................................................114 Суперпозиция реальна? ........................................................................................115 Реален ли алгоритм Питера Шора? ..................................................................115 Достаточно ли у нас стабильных кубитов? ....................................................115 Квантовые ресурсы и конкуренция .................................................................116 У нас есть постоянное улучшение? ................................................................... 117 Мнения экспертов....................................................................................................118 Когда случится квантовый киберпрорыв .............................................................118 Временные сценарии .............................................................................................118 Когда следует быть готовыми? ...........................................................................121 Сценарии криптопрорыва ..........................................................................................124

Стр.9

Содержание 9 Новая технология надолго останется в распоряжении государств ....124 Применение крупнейшими компаниями .......................................................125 Массовое распространение.................................................................................126 Наиболее вероятный сценарий прорыва ......................................................126 Резюме ................................................................................................................................ 127 5 Каким будет постквантовый мир? ...........................................................................128 Взломанные приложения ............................................................................................128 Ослабленные хеши и симметричные шифры ..............................................129 Взломанные асимметричные шифры ..............................................................132 Ослабленные и взломанные генераторы случайных чисел ...................133 Слабые, или взломанные, зависимые приложения ...................................134 Квантовые вычисления ................................................................................................145 Квантовые компьютеры ........................................................................................145 Квантовые процессоры .........................................................................................146 Квантовые облачные вычисления .................................................................... 147 Появляется квантовая сеть .........................................................................................149 Квантовые приложения ...............................................................................................150 Улучшение химикатов и лекарств .....................................................................150 Лучшие аккумуляторы электроэнергии ..........................................................151 Настоящий искусственный интеллект .............................................................152 Управление цепочками поставок ......................................................................153 Квантовые финансы ...............................................................................................153 Улучшенное управление рисками.....................................................................153 Квантовый маркетинг .............................................................................................154 Более точный прогноз погоды ...........................................................................154 Квантовые деньги ....................................................................................................154 Квантовое моделирование ..................................................................................155 Более совершенное вооружение и точное оружие ...................................155 Квантовая телепортация .......................................................................................155 Резюме ................................................................................................................................159 Будет использоваться квантовая криптография ................................................148 Квантовая идеальная конфиденциальность .................................................148 II Подготовка к квантовому взрыву ....................................................................161 6 Квантовоустойчивая криптография .......................................................................162 Постквантовый конкурс NIST ....................................................................................162 Классификация уровня безопасности .............................................................165 PKE против КЕМ ....................................................................................................... 167 Формальные гарантии неразличимости ........................................................ 167 Размеры ключа и шифрованного текста ........................................................168 Типы постквантовых алгоритмов .............................................................................170 Криптография на основе кода ...........................................................................170 Криптография на основе хеша ..........................................................................171 Решетчатая криптография ....................................................................................173

Стр.10

10 Содержание Многомерная криптография ...............................................................................174 Криптография изогенной сверхсингулярной эллиптической кривой ..........................................................................................................................175 Доказательство нулевого знания ......................................................................176 Квантовая устойчивость симметричного ключа ......................................... 177 Квантовоустойчивые асимметричные шифры ...................................................179 BIKE ................................................................................................................................180 Classic McEliece.........................................................................................................181 CRYSTALS-Kyber ........................................................................................................182 FrodoKEM ....................................................................................................................182 HQC ................................................................................................................................183 LAC..................................................................................................................................184 LEDAcrypt.....................................................................................................................185 NewHope ......................................................................................................................185 NTRU .............................................................................................................................185 NTRU Prime .................................................................................................................186 NTS-КЕМ ...................................................................................................................... 187 ROLLO ............................................................................................................................ 187 Round5 .......................................................................................................................... 187 RQC .................................................................................................................................188 SABER ............................................................................................................................188 SIKE ................................................................................................................................189 ThreeBears ...................................................................................................................189 Общие замечания по размерам ключей PKE, KEM и шифротекста ....191 Квантовоустойчивые схемы цифровой подписи ..............................................193 CRYSTALS-Dilithium .................................................................................................193 FALCON .........................................................................................................................195 GeMSS ...........................................................................................................................196 LUOV ..............................................................................................................................196 MQDSS .......................................................................................................................... 197 Picnic ............................................................................................................................. 197 qTESLA ..........................................................................................................................198 Rainbow ........................................................................................................................198 SPHINCS+ .....................................................................................................................199 Общие замечания о ключе и размерах подписи .......................................200 Рекомендуемые предостережения .........................................................................202 Недостаток стандартов ..........................................................................................203 Проблемы производительности ........................................................................203 Отсутствие проверенной защиты ......................................................................204 Для дополнительной информации ..........................................................................205 Резюме ................................................................................................................................205 7 Квантовая криптография ..............................................................................................206 Квантовые RNG................................................................................................................ 207 Случайное не всегда случайное ........................................................................ 207 Почему истинная случайность так важна? .....................................................209 Квантовые RNG .........................................................................................................211

Стр.11

Содержание 11 Квантовые хеши и подписи ....................................................................................... 217 Квантовые хеши ....................................................................................................... 217 Квантовые цифровые подписи ..........................................................................219 Квантовые шифры..........................................................................................................221 Распределение квантовых ключей ...................................................................222 Резюме ................................................................................................................................229 8 Квантовые сети ...................................................................................................................231 Компоненты квантовой сети ......................................................................................231 Среда передачи ........................................................................................................231 Расстояние против скорости ...............................................................................233 Точка–точка ................................................................................................................234 Доверенные повторители.....................................................................................235 Квантовые повторители ........................................................................................ 237 Квантовые сетевые протоколы ..........................................................................239 Квантовые сетевые приложения ..............................................................................242 Более безопасные сети .........................................................................................243 Облако квантовых вычислений .........................................................................243 Лучшая временнáя синхронизация ..................................................................243 Предотвращение помех ........................................................................................245 Квантовый интернет ...............................................................................................246 Другие квантовые сети ................................................................................................246 Где получить больше информации ..........................................................................248 Резюме ................................................................................................................................248 9 Готовимся сейчас ...............................................................................................................249 Четыре основных этапа смягчения последствий постквантового прорыва ..............................................................................................................................249 Этап 1. Укрепление существующих решений ...............................................249 Этап 2. Переход к квантовоустойчивым решениям ...................................253 Этап 3. Применение квантово-гибридных решений .................................256 Этап 4. Применение полностью квантовых решений ............................... 257 Шесть основных шагов проекта по смягчению последствий постквантового прорыва .............................................................................................258 Шаг 1. Обучение .......................................................................................................259 Шаг 2. Создание плана ...........................................................................................263 Шаг 3. Сбор данных .................................................................................................268 Шаг 4. Анализ .............................................................................................................270 Шаг 5. Принять меры / исправить .....................................................................272 Шаг 6. Обзор и улучшение ...................................................................................274 Резюме ................................................................................................................................274 Приложение. Дополнительные источники по квантам ............................................276 Предметный указатель ................................................................................................................283

Стр.12