NSA syftar till att bygga kvantdator för att 'knäcka de flesta krypteringstyper'

I metalllådor i rumsstorlek säkrade mot elektromagnetiska läckor, tävlar National Security Agency om att bygga en dator som kan bryta nästan alla typer av kryptering som används för att skydda bank-, medicinsk-, affärs- och statliga register runt om i världen.Enligt dokument som tillhandahållits av den tidigare NSA-entreprenören Edward Snowden är ansträngningen att bygga "en kryptologiskt användbar kvantdator" - en maskin exponentiellt snabbare än klassiska datorer - en del av ett forskningsprogram på 79.7 miljoner dollar med titeln "Penetrating Hard Targets". En stor del av arbetet hålls under sekretessbelagda kontrakt hos a laboratorium i College Park, Md.

Utvecklingen av en kvantdator har länge varit ett mål för många inom forskarvärlden, med revolutionerande implikationer för områden som medicin såväl som för NSA:s kodbrytande uppdrag. Med sådan teknik skulle alla nuvarande former av kryptering av offentliga nyckel brytas, inklusive de som används på många säkra webbplatser såväl som den typ som används för att skydda statshemligheter.

Fysiker och datavetare har länge spekulerat om huruvida NSA:s ansträngningar är mer avancerade än de bästa civila labbens. Även om den fulla omfattningen av byråns forskning fortfarande är okänd, tyder de dokument som Snowden tillhandahåller att NSA inte är närmare framgång än andra i forskarvärlden.

"Det verkar osannolikt att NSA kan vara så långt före den öppna världen utan att någon vet om det", säger Scott Aaronson, docent i elektroteknik och datavetenskap vid Massachusetts Institute of Technology.

NSA tycks betrakta sig själv som löpande med kvantdatorlaboratorier sponsrade av Europeiska unionen och den schweiziska regeringen, med stadiga framsteg men små utsikter till ett omedelbart genombrott.

"Den geografiska omfattningen har minskat från en global ansträngning till ett diskret fokus på Europeiska unionen och Schweiz", heter det i ett NSA-dokument.

Seth Lloyd, professor i kvantmekanisk teknik vid MIT, sa att NSA:s fokus inte är felplacerad. "EU och Schweiz har gjort betydande framsteg under det senaste decenniet och har kommit ikapp USA när det gäller kvantberäkningsteknik," sade han.

NSA avböjde att kommentera denna artikel.

Dokumenten indikerar dock att byrån utför en del av sin forskning i stora, avskärmade rum som kallas Faraday-burar, som är utformade för att förhindra att elektromagnetisk energi kommer in eller ut. Dessa, enligt en kort beskrivning, krävs "för att hålla känsliga kvantberäkningsexperiment igång."

[Läs ett dokument som beskriver klassificeringsnivåer relaterade till kvantberäkningsinsatser]

Den grundläggande principen bakom kvantberäkning är känd som "kvantsuperposition", idén att ett objekt existerar samtidigt i alla tillstånd. En klassisk dator använder binära bitar, som antingen är nollor eller ettor. En kvantdator använder kvantbitar, eller kvantbitar, som samtidigt är noll och ett.

Denna till synes omöjlighet är en del av mysteriet som ligger i hjärtat av kvantteorin, som även teoretiska fysiker säger att ingen helt förstår.

"Om du tror att du förstår kvantmekanik, förstår du inte kvantmekanik", sa den sena nobelpristagaren Richard Feynman, som allmänt anses vara pionjären inom kvantberäkning.

Så här fungerar det i teorin: Medan en klassisk dator, hur snabb den än är, måste göra en beräkning i taget, kan en kvantdator ibland undvika att behöva göra beräkningar som är onödiga för att lösa ett problem. Det gör att den kan hitta rätt svar mycket snabbare och mer effektivt.

Kvantberäkning är svår att uppnå på grund av den ömtåliga naturen hos sådana datorer. I teorin kan byggstenarna i en sådan dator innefatta individuella atomer, fotoner eller elektroner. För att upprätthålla datorns kvanta natur skulle dessa partiklar behöva isoleras noggrant från sina yttre miljöer.

"Kvantdatorer är extremt känsliga, så om du inte skyddar dem från deras omgivning kommer beräkningen att vara värdelös", säger Daniel Lidar, professor i elektroteknik och chef för Center for Quantum Information Science and Technology vid University of Southern California.

En fungerande kvantdator skulle öppna dörren för att enkelt kunna bryta de starkaste krypteringsverktygen som används idag, inklusive en standard känd som RSA, uppkallad efter initialerna till dess skapare. RSA förvränger kommunikation, vilket gör dem oläsliga för alla utom den avsedda mottagaren, utan att behöva använda ett delat lösenord. Det används ofta i webbläsare för att säkra finansiella transaktioner och i krypterad e-post. RSA används på grund av svårigheten att faktorisera produkten av två stora primtal. Att bryta krypteringen innebär att hitta dessa två siffror. Detta kan inte göras inom rimlig tid på en klassisk dator.

2009 kunde datavetare som använder klassiska metoder upptäck primtalen inom ett 768-bitars tal, men det tog nästan två år och hundratals datorer att faktorisera det. Forskarna uppskattade att det skulle ta 1,000 1,024 gånger längre tid att bryta en XNUMX XNUMX-bitars krypteringsnyckel, som vanligtvis används för onlinetransaktioner.

En storskalig kvantdator skulle dock teoretiskt kunna bryta en 1,024 2,048-bitars kryptering mycket snabbare. Vissa ledande internetföretag går över till XNUMX XNUMX-bitars nycklar, men även de anses vara sårbara för snabb dekryptering med en kvantdator.

Kvantdatorer har många tillämpningar för dagens forskarsamhälle, inklusive skapandet av artificiell intelligens. Men NSA fruktar konsekvenserna för den nationella säkerheten.

"Tillämpningen av kvantteknik på krypteringsalgoritmer hotar att dramatiskt påverka den amerikanska regeringens förmåga att både skydda sin kommunikation och avlyssna kommunikationen från utländska regeringar", enligt ett internt dokument från Snowden.

Experter är inte säkra på hur snart en kvantdator skulle vara genomförbar. För ett decennium sedan sa vissa experter att utvecklingen av en stor kvantdator troligen var 10 till 100 år i framtiden. För fem år sedan sa Lloyd att målet var minst 10 år bort.

Förra året sa Jeff Forshaw, professor vid University of Manchester, till brittiska tidningen Guardian, "Det är förmodligen för tidigt att spekulera i när den första fullskaliga kvantdatorn kommer att byggas men de senaste framstegen indikerar att det finns all anledning att vara optimistisk."

"Jag tror inte att vi sannolikt kommer att ha den typ av kvantdator som NSA vill ha inom minst fem år, i avsaknad av ett betydande genombrott kanske mycket längre," sa Lloyd till The Washington Post i en nyligen genomförd intervju.

Vissa företag hävdar dock att de redan tillverkar små kvantdatorer. Ett kanadensiskt företag, D-Wave-system , säger att det har tillverkat kvantdatorer sedan 2009. 2012 sålde det en version på 10 miljoner dollar till Google, NASA och Universities Space Research Association, enligt nyhetsrapporter.

Den kvantdatorn skulle dock aldrig vara användbar för att bryta kryptering av offentlig nyckel som RSA.

"Även om allt de påstår är korrekt, kan den datorn, till sin design, inte köras Shors algoritm”, sa Matthew Green, en forskningsprofessor vid Johns Hopkins University Information Security Institute, och syftar på algoritmen som kan användas för att bryta kryptering som RSA.

Experter tror att ett av de största hindren för att bryta kryptering med en kvantdator är att bygga en dator med tillräckligt med qubits, vilket är svårt med tanke på det mycket ömtåliga tillståndet hos kvantdatorer. I slutet av september förväntade sig NSA att kunna ha några byggstenar, som de beskrev i ett dokument som "dynamisk avkoppling och fullständig kvantkontroll på två halvledar-qubits."

"Det är ett bra steg, men det är ett ganska litet steg på vägen mot att bygga en storskalig kvantdator," sa Lloyd.

En kvantdator som kan bryta kryptografi skulle behöva hundratals eller tusentals fler qubits än så.

Budgeten för National Intelligence Programme, vanligen kallad den "svarta budgeten", beskriver projektet "Penetrating Hard Targets" och noterade att detta steg "kommer att möjliggöra initial skalning mot stora system i relaterade och uppföljande ansträngningar."

Ett annat projekt, kallat "Owning the Net", använder kvantforskning för att stödja skapandet av kvantbaserade attacker på krypteringar som RSA, visar dokument.

"Ironin med kvantberäkning är att om du kan föreställa dig att någon bygger en kvantdator som kan bryta kryptering några decennier in i framtiden, så behöver du vara orolig just nu," sa Lidar.

Upphovsrätt: The Washington Post

Dela den här artikeln: