Kvanttitietokoneiden vaikutus kryptografiaan

Abstract

Tässä tutkielmassa selvitetään kvanttitietokoneiden vaikutusta moderniin kryptografiaan. Kryptografialla tarkoitetaan salakirjoituksen tutkimusta, missä tarkoituksena on kahden osapuolen välisen viestinnän salaaminen siten, että kolmannen osapuolen on mahdotonta lukea viestejä tietämättä käytettyä salausmenetelmää tai moderneissa menetelmissä tietämättä salaukseen käytettyä salausavainta. Kvanttitietokoneilla tarkoitetaan tietokoneita tai kvanttiprosessointiyksiköitä, jotka hyödyntävät kvanttimekaniikan lainalaisuuksia laskutoimituksissaan. Tämä mahdollistaa tietyn tyyppisten ongelmien ratkaisemisen jopa eksponentiaalisesti nopeammassa ajassa verrattuna klassiseen tietokoneeseen. Lähes kaikki nykyhetken toiminnassa olevat julkisen avaimen kryptosysteemit perustuvat sellaisiin matemaattisiin ongelmiin, joiden ratkaiseminen kvanttitietokoneella on teoriassa mahdollista järkevässä ajassa. Vaikka kvanttitietokoneet eivät ole vielä siinä pisteessä, että ne pystyisivät murtamaan nykyhetken salauksia, on niiden kehitys ottanut valtavasti tuulta alleen. Kvanttitietokoneiden kehitys on myös suunnannut tutkijoiden mielenkiinnon vaihtoehtoisiin ”kvanttiresistantteihin” kryptosysteemeihin. Nämä systeemit perustuvat sellaisiin ongelmiin, joihin nykypäivän kvanttialgoritmit eivät tarjoa klassisia algoritmeja nopeampia ratkaisuja. Tutkielmassa selvitetään myös, millaisia alttiina olevia kryptosysteemeitä hyödyntäviä arkipäivän sovelluksia ohjelmistotalo Solitalla on käytössä, pohditaan tällaisen kvanttikonehyökkäyksen todennäköisyyttä ja etsitään korvaavia kvanttiresistantteja kryptosysteemeitä. Tutkielma jakautuu neljään päälukuun. Luvussa 2 kerrotaan hieman kryptografian historiasta ja esitellään nykyajan käytetyimpiä kryptografisia primitiivejä. Luvussa 3 avataan kvanttitietokoneiden arkkitehtuuria ja verrataan niitä klassisiin tietokoneisiin sekä esitellään tunnetuimmat kvanttialgoritmit ja selvitetään kvanttitietokoneiden nykytilaa. Luvussa 4 esitellään lyhyesti ne matemaattiset ongelmat, joihin kvanttiresistantit kryptosysteemit perustuvat sekä mainitaan muutama tällainen kryptosysteemi nimeltä. Lopuksi luvussa 5 selvitetään Solitalla käytössä olevien sovellusten käyttämät kryptosysteemit ja etsitään korvaavia systeemeitä.