Definição de criptografia quântica

A criptografia quântica, também chamada de criptografia quântica, aplica princípios da mecânica quântica para criptografar mensagens de uma forma que nunca sejam lidas por ninguém fora do destinatário pretendido. Ele tira proveito dos múltiplos estados quânticos, juntamente com sua "teoria sem mudança", o que significa que não pode ser interrompido sem saber. 

A execução dessas tarefas requer um computador quântico, que tem um imenso poder de computação para criptografar e descriptografar dados. Um computador quântico poderia quebrar rapidamente a criptografia de chave pública atual.

Por que a criptografia quântica é importante

Empresas e governos em todo o mundo estão em uma corrida armamentista quântica, a corrida para construir o primeiro computador quântico utilizável. A tecnologia promete tornar alguns tipos de problemas de computação muito, muito mais fáceis de resolver do que com os computadores clássicos de hoje.

Um desses problemas é quebrar certos tipos de criptografia, particularmente os métodos usados ​​na infraestrutura de chave pública (PKI) atual, que sustenta praticamente todas as comunicações online atuais. “Estou certamente com medo do que pode ser o resultado da computação quântica”, disse Michael Morris, CEO da Topcoder, uma rede global de 1,4 milhão de desenvolvedores. Topcoder faz parte da Wipro, uma organização de consultoria global. Também está trabalhando para encontrar soluções para os desafios da programação da computação quântica.

“Em vez de resolver um problema de cada vez, com a computação quântica podemos resolver milhares de problemas na mesma velocidade de processamento, com o mesmo poder de processamento”, diz Morris. “Coisas que levariam centenas de dias hoje podem levar apenas horas em um computador quântico.”

Quem sabe que tipo de tecnologia não está disponível no mercado público ou é operada em segredo por governos estrangeiros? “Meu medo é que não saibamos que o computador quântico capaz de fazer isso existe até que seja feito”, diz Morris da Topcoder. “Meu medo é que aconteça antes de sabermos que está aí.”

Criptografia assimétrica versus simétrica

Veja como a criptografia funciona em computadores “tradicionais”: dígitos binários (0s e 1s) são enviados sistematicamente de um lugar para outro e então decifrados com uma chave simétrica (privada) ou assimétrica (pública). Cifras de chave simétricas como o Advanced Encryption Standard (AES) usam a mesma chave para criptografar uma mensagem ou arquivo, enquanto as cifras assimétricas como RSA usam duas chaves vinculadas - privada e pública. A chave pública é compartilhada, mas a chave privada é mantida em segredo para descriptografar as informações.

O primeiro alvo dos computadores quânticos que quebram a criptografia será o elo mais fraco no ecossistema de criptografia: a criptografia assimétrica. Este é o PKI, o padrão de criptografia RSA. E-mails, sites, transações financeiras e quase tudo são protegidos com criptografia assimétrica.

A razão pela qual é popular é que qualquer pessoa pode criptografar uma mensagem usando a chave pública do destinatário pretendido, mas apenas o destinatário pode descriptografá-la usando a chave privada correspondente. A abordagem de duas chaves se baseia no princípio de que alguns tipos de processos matemáticos são muito mais fáceis de fazer do que desfazer. Você pode quebrar um ovo, mas montá-lo de volta é muito mais difícil.

Com a criptografia simétrica, as mensagens são criptografadas e descriptografadas usando a mesma chave. Isso torna a criptografia simétrica menos adequada para comunicação pública, mas significativamente mais difícil de quebrar. “Os computadores quânticos provavelmente não quebrarão métodos simétricos (AES, 3DES, etc.), mas provavelmente quebrarão métodos públicos, como ECC e RSA”, diz Bill Buchanan, professor da Escola de Computação da Universidade Napier de Edimburgo, na Escócia. “A Internet muitas vezes supera os problemas de cracking dentro de um aumento nos tamanhos das chaves, então espero um aumento nos tamanhos das chaves para estender a vida útil do RSA e ECC.”

Como se defender contra a criptografia quântica

Chaves mais longas são a primeira linha de defesa contra a computação quântica, e quase todo mundo concorda com isso. Na verdade, a versão de 1024 bits do padrão de criptografia RSA não é mais considerada segura pelo NIST, que recomenda 2048 bits no mínimo. Chaves mais longas tornam a criptografia mais lenta e cara, no entanto, e o comprimento da chave terá que aumentar substancialmente para ficar à frente dos computadores quânticos.

Outra opção é usar criptografia simétrica para as próprias mensagens e, em seguida, usar criptografia assimétrica apenas para as chaves. Essa é a ideia por trás do padrão online Transport Layer Security (TLS) , diz Alan Woodward, professor do departamento de computação da Universidade de Surrey.

Muitos pesquisadores também estão procurando maneiras de criar novos tipos de algoritmos de criptografia que ainda permitiriam chaves públicas e privadas, mas seriam à prova de computadores quânticos. Por exemplo, é fácil multiplicar dois números primos, mas muito difícil quebrar um grande número de volta em seus fatores primos. Os computadores quânticos podem fazer isso, e já existem técnicas quânticas conhecidas que podem resolver o problema de fatoração e muitas abordagens semelhantes, diz Woodward.

No entanto, não há nenhum método quântico conhecido para quebrar a criptografia baseada em rede, que usa algoritmos criptográficos construídos em torno de redes . “A criptografia reticulada é a que parece ser a favorita no momento, simplesmente porque é a mais prática de implementar”, diz ele.

A melhor solução poderia ser uma combinação de algoritmos pós-quânticos como criptografia baseada em rede para a comunicação inicial para trocar chaves com segurança, usando criptografia simétrica para as mensagens principais.

Podemos realmente confiar na criptografia baseada em rede ou em algoritmos semelhantes para estarmos seguros? “Você não pode garantir que seu algoritmo pós-quântico estará seguro contra um futuro computador quântico que usa algum algoritmo quântico desconhecido”, diz Brian La Cour, professor e cientista pesquisador da Universidade do Texas.

A distribuição da chave quântica é inalterável, em teoria

É aqui que as leis da física quântica podem vir em seu socorro. A distribuição quântica de chaves (QKD) é um método de envio de chaves de criptografia usando alguns comportamentos muito peculiares de partículas subatômicas que são, pelo menos em teoria, completamente impossíveis de hackear. A versão terrestre do QKD é um sistema em que os fótons são enviados um de cada vez por meio de uma linha de fibra óptica. Se alguém estiver espionando, então, de acordo com os princípios da física quântica, a polarização dos fótons é afetada e o destinatário pode dizer que a mensagem não é segura.

A China está mais à frente com o QKD, com tubos dedicados conectando Pequim, Xangai e outras cidades. Também existem redes na Europa. Nos Estados Unidos, a primeira rede comercial QKD foi ao ar no outono passado. O Quantum Xchange, conectando as firmas financeiras da cidade de Nova York com seus centros de dados em Nova Jersey, aluga espaço nas redes de fibra óptica existentes e usa seus próprios remetentes e receptores QKD para enviar mensagens seguras em nome dos clientes. A empresa planeja se expandir para Boston e Washington, DC no final de 2019.

No entanto, a tecnologia é extremamente lenta e requer equipamentos caros para enviar e receber os fótons individuais. De acordo com John Prisco, CEO e presidente da Quantum Xchange, um cliente precisaria comprar um transmissor e um receptor, cada um custando em torno de US $ 100.000. “Não é muito diferente de outros equipamentos de comunicação de fibra óptica de alta velocidade”, diz ele. “E o preço vai cair com o tempo, à medida que mais empresas fornecem o hardware.”

O grande avanço no ano passado foi que os sistemas QKD não exigem mais tubos especiais, diz Woodward. “Agora parece que eles serão capazes de usar as redes de fibra existentes, para que não precisem instalar uma nova fibra.”

Depois, há a abordagem baseada em satélite. Este usa o princípio do entrelaçamento, que Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância” e se recusou a acreditar que fosse real. Acontece que é real, e a China tem um satélite quântico de comunicação instalado e funcionando há alguns anos.

Emaranhamento não é sobre comunicações instantâneas que quebram o limite de velocidade da velocidade da luz, diz Woodward. A maneira como funciona é que duas partículas ficam emaranhadas de modo que tenham o mesmo estado e, então, uma dessas partículas é enviada para outra pessoa. Quando o destinatário olha para a partícula, é garantido que ela esteja no mesmo estado de sua gêmea.

Se uma dessas partículas muda, não significa que a outra partícula muda instantaneamente para combinar - não é um sistema de comunicação. Além disso, o estado das duas partículas emaranhadas, embora idênticas, também é aleatório. “Portanto, você não pode enviar uma mensagem”, diz Woodward, “mas pode enviar uma chave de criptografia, porque o que você realmente deseja em uma chave é uma sequência de dígitos aleatórios”.

Agora que o remetente e o destinatário têm a mesma chave aleatória, eles podem usá-la para enviar mensagens usando criptografia simétrica em canais tradicionais. “A China ultrapassou a todos com este satélite”, diz Woodward. “Todo mundo disse que não poderia ser feito, que passar pela atmosfera o tiraria da superposição, mas os chineses têm sido capazes de fazer isso.” Para receber os sinais, as empresas precisariam colocar algo parecido com um telescópio em seus telhados, diz ele, e depois instalar alguns equipamentos de processamento.

Nem a distribuição de chaves quânticas baseada em solo nem em satélite é prática para uso geral, uma vez que ambas requerem equipamentos muito especializados e caros. No entanto, pode ser útil para proteger as comunicações mais críticas e confidenciais.

Os limites da distribuição da chave quântica

Se a integridade das chaves pode ser perfeitamente garantida pelo QKD, isso significa que as comunicações inalteráveis ​​estão ao nosso alcance?

Não tão rápido.

“A maioria dos hackers, quando invade alguma coisa, dificilmente vai de frente”, diz Woodward. “Eles dão a volta por cima, e eu suspeito que é onde você encontrará problemas com essas implementações.” Os invasores de hoje, embora possam, em teoria, ouvir o tráfego em linhas de fibra óptica, normalmente não fazem isso.

Existem maneiras muito mais fáceis de ler as mensagens, como acessá-las antes de serem criptografadas ou depois de serem descriptografadas ou usando ataques man-in-the-middle.

Além disso, o QKD requer o uso de relés. A menos que o remetente e o destinatário construam um tubo que passa diretamente entre seus dois escritórios, e a distância é curta o suficiente para que as mensagens não se degradem - cerca de 60 milhas ou menos com a tecnologia atual - haverá muitas oportunidades para hackers. As redes QKD precisarão de repetidores quando as mensagens viajarem por longas distâncias. “Você pode imaginar que esses repetidores se tornarão pontos fracos”, diz Woodward. “Alguém pode invadir e pegar a chave.”

Além disso, as redes QKD precisarão ser capazes de rotear mensagens, o que significa roteadores e hubs, cada um dos quais é também um ponto potencial de vulnerabilidade. “Os físicos podem dizer que isso é absolutamente seguro”, diz Woodward, “mas há um perigo nisso, em pensar que só porque você está usando o QKD, você está seguro. Claro, as leis da física se aplicam, mas pode haver maneiras de contorná-las. ”

Além dos problemas de segurança, não é realista esperar que todos os usuários da Internet tenham acesso a um endpoint QKD em qualquer lugar no futuro próximo. Isso significa que, exceto para as comunicações mais sensíveis e de alto valor, melhores algoritmos de criptografia são o caminho a percorrer.

Quando a criptografia quântica estará disponível?

Então, quanto tempo temos para colocar esses algoritmos no lugar? Quando os computadores quânticos chegarão aqui? Ninguém sabe, diz Woodward, uma vez que desafios da ciência e engenharia são muito significativos ainda precisam ser superados e podem levar anos - ou décadas - para serem resolvidos. A tecnologia ainda está em sua infância, diz ele. “O computador quântico com o qual jogo na Internet via IBM agora tem 20 qubits”, diz ele. “O Google está falando sobre 50 qubits.”

Para quebrar a criptografia RSA padrão de hoje, seriam necessários milhares de qubits. Adicionar esses qubits não é fácil porque eles são muito frágeis. Além disso, os computadores quânticos de hoje têm taxas de erro extremamente altas, exigindo ainda mais qubits para correção de erros. “Eu dou uma aula sobre computação quântica”, diz La Cour, da Universidade do Texas. “No semestre passado, tivemos acesso a uma das máquinas de 16 qubit da IBM. Eu pretendia fazer alguns projetos com ele para mostrar algumas coisas legais que você poderia fazer com um computador quântico. ”

Isso não funcionou, diz ele. “O dispositivo era tão barulhento que, se você fizesse algo complicado o suficiente para exigir 16 qubits, o resultado seria puro lixo.”

Assim que o problema de escalabilidade for resolvido, estaremos no bom caminho para ter computadores quânticos utilizáveis, diz ele, mas é impossível definir um prazo para isso. “É como dizer nos anos 70, se você pode resolver o problema do confinamento magnético, a que distância está a fusão?”

La Cour acredita que provavelmente estamos décadas longe do ponto em que os computadores quânticos podem ser usados ​​para quebrar a criptografia RSA de hoje. Há muito tempo para atualizar para algoritmos de criptografia mais recentes - exceto por uma coisa.

“As pessoas estão preocupadas com as coisas que são criptografadas hoje e permanecem seguras por várias décadas no futuro”, diz La Cour. Mesmo que as empresas atualizem sua tecnologia de criptografia à medida que novos algoritmos surgem e voltam e criptografam novamente todos os arquivos antigos que armazenaram, é impossível saber para onde foram todas as mensagens antigas.

“Se os e-mails saem e são interceptados, agora existe esse depósito de mensagens em algum lugar onde alguém está esperando que um computador quântico apareça e quebre todos”, diz ele. “As pessoas estão realmente preocupadas com isso.”

O Avance Network é uma comunidade fácil de usar que fornece segurança de primeira e não requer muito conhecimento técnico. Com uma conta, você pode proteger sua comunicação e seus dispositivos. O Avance Network não mantém registros de seus dados; portanto, você pode ter certeza de que tudo o que sai do seu dispositivo chega ao outro lado sem inspeção.