Апокалипсис криптографии. Подготовка криптографии к квантовым вычислениям (1815,00 руб.)

Стр.5

Стр.7

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. – М.: ДМК Пресс, 2020. – 290 с.: ил. Граймс Р. А. ISBN 978-5-97060-837-1 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 32.973­018 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 978­1­119­61819­5 (англ.) ISBN 978­5­97060­837­1 (рус.) Copyright © by John Wiley & Sons, Inc., 2020 © Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2020

Стр.5

Краткое содержание I Учебник по квантовым вычислениям ..............................................................21 1 Введение в квантовую механику ................................................................................22 2 Введение в квантовые компьютеры .........................................................................52 3 Как квантовые вычисления могут взломать существующие криптокоды? ............................................................................................................................85 4 Когда случится криптопрорыв? .................................................................................114 5 Каким будет постквантовый мир? ...........................................................................130 II Подготовка к квантовому взрыву ....................................................................163 6 Квантовоустойчивая криптография .......................................................................164 7 Квантовая криптография ..............................................................................................208 8 Квантовые сети ...................................................................................................................233 9 Готовимся сейчас ..............................................................................................................251

Стр.7

Содержание Содержание ............................................................................................................................................. 6 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 .................................................................................................44 Теорема об отсутствии клонирования ...............................................................45 Жуткая запутанность ..................................................................................................46 Декогеренция ...............................................................................................................47 Квантовые примеры в современном мире.............................................................49 Для дополнительной информации ...........................................................................50 Резюме ...................................................................................................................................51 2 Введение в квантовые компьютеры .........................................................................52 В чем отличие квантовых компьютеров? ................................................................52 Традиционные компьютеры используют биты ...............................................52 Квантовые компьютеры используют кубиты ...................................................55 Квантовые компьютеры еще не готовы к прайм-тайму ..............................59 Квант скоро будет царствовать .............................................................................60

Стр.8

8 Содержание Квантовые компьютеры улучшают кубиты, используя исправление ошибок .................................................................................................61 Типы квантовых компьютеров .....................................................................................67 Сверхпроводящие квантовые компьютеры .....................................................68 Квантовые компьютеры на основе алгоритма отжига ................................69 Универсальные квантовые компьютеры ...........................................................71 Топологические квантовые компьютеры ..........................................................73 Компьютеры Majorana Fermion компании Microsoft....................................74 Квантовые компьютеры с ионными ловушками ............................................75 Квантовые компьютеры в облаке ........................................................................77 Квантовые компьютеры, произведенные не в США .....................................78 Компоненты квантового компьютера ......................................................................79 Квантовое программное обеспечение ..............................................................80 Квантовый стек ............................................................................................................81 Национальное руководство ..........................................................................................81 Руководство национальной политикой .............................................................81 Денежные гранты и инвестиции ...........................................................................82 Другая квантовая научная информация .................................................................82 Дополнительные ресурсы ..............................................................................................83 Резюме ...................................................................................................................................83 3 Как квантовые вычисления могут взломать существующие криптокоды? ............................................................................................................................85 Основы криптографии .....................................................................................................85 Шифрование .................................................................................................................86 Хеширование .............................................................................................................100 Применение криптографии .................................................................................101 Как квантовые компьютеры могут взломать криптокоды ............................102 Сокращение времени .............................................................................................102 Квантовые алгоритмы ............................................................................................104 Что квант может и что не может сломать .......................................................108 Все еще теория .........................................................................................................112 Резюме ................................................................................................................................113 4 Когда случится криптопрорыв? .................................................................................114 Это вечное «лет через 10» ..........................................................................................114 Факторы квантового криптопрорыва ....................................................................115 Квантовая механика реальна? ...........................................................................115 Квантовые компьютеры реальны? ....................................................................116 Суперпозиция реальна? ........................................................................................ 117 Реален ли алгоритм Питера Шора? .................................................................. 117 Достаточно ли у нас стабильных кубитов? .................................................... 117 Квантовые ресурсы и конкуренция .................................................................118 У нас есть постоянное улучшение? ...................................................................119 Мнения экспертов....................................................................................................120 Когда случится квантовый киберпрорыв .............................................................120 Временные сценарии .............................................................................................120

Стр.9

Содержание 9 Когда следует быть готовыми? ...........................................................................123 Сценарии криптопрорыва ..........................................................................................125 Новая технология надолго останется в распоряжении национальных государств ....................................................................................126 Применение крупнейшими компаниями ....................................................... 127 Массовое распространение.................................................................................128 Наиболее вероятный сценарий прорыва ......................................................128 Резюме ................................................................................................................................129 5 Каким будет постквантовый мир? ...........................................................................130 Взломанные приложения ............................................................................................130 Ослабленные хеши и симметричные шифры ..............................................131 Взломанные асимметричные шифры ..............................................................134 Ослабленные и взломанные генераторы случайных чисел ...................135 Слабые, или взломанные, зависимые приложения ...................................136 Квантовые вычисления ............................................................................................... 147 Квантовые компьютеры ........................................................................................ 147 Квантовые процессоры .........................................................................................149 Квантовые облачные вычисления ....................................................................150 Будет использоваться квантовая криптография ...............................................150 Квантовая идеальная конфиденциальность .................................................150 Появляется квантовая сеть .........................................................................................151 Квантовые приложения ..............................................................................................152 Улучшение химикатов и лекарств .....................................................................152 Лучшие аккумуляторы электроэнергии ..........................................................153 Настоящий искусственный интеллект .............................................................154 Управление цепочками поставок ......................................................................155 Квантовые финансы ...............................................................................................155 Улучшенное управление рисками.....................................................................156 Квантовый маркетинг .............................................................................................156 Более точный прогноз погоды ...........................................................................156 Квантовые деньги ....................................................................................................156 Квантовое моделирование .................................................................................. 157 Более совершенное вооружение и точное оружие ................................... 157 Квантовая телепортация ....................................................................................... 157 Резюме ................................................................................................................................162 II Подготовка к квантовому взрыву ....................................................................163 6 Квантовоустойчивая криптография .......................................................................164 Постквантовый конкурс NIST ....................................................................................164 Классификация уровня безопасности ............................................................. 167 PKE против КЕМ .......................................................................................................169 Формальные гарантии неразличимости ........................................................169 Размеры ключа и шифрованного текста ........................................................171 Типы постквантовых алгоритмов .............................................................................172 Криптография на основе кода ...........................................................................172

Стр.10

10 Содержание Криптография на основе хеша ..........................................................................173 Решетчатая криптография ....................................................................................175 Многомерная криптография ............................................................................... 177 Криптография изогенной сверхсингулярной эллиптической кривой .......................................................................................................................... 177 Доказательство нулевого знания ......................................................................178 Квантовая устойчивость симметричного ключа .........................................180 Квантовоустойчивые асимметричные шифры ...................................................181 BIKE ................................................................................................................................182 Classic McEliece.........................................................................................................183 CRYSTALS-Kyber ........................................................................................................184 FrodoKEM ....................................................................................................................184 HQC ................................................................................................................................185 LAC..................................................................................................................................186 LEDAcrypt..................................................................................................................... 187 NewHope ...................................................................................................................... 187 NTRU .............................................................................................................................188 NTRU Prime .................................................................................................................188 NTS-КЕМ ......................................................................................................................189 ROLLO ............................................................................................................................189 Round5 ..........................................................................................................................190 RQC .................................................................................................................................190 SABER ............................................................................................................................191 SIKE ................................................................................................................................191 ThreeBears ...................................................................................................................192 Общие замечания по размерам ключей PKE, KEM и шифротекста ....193 Квантовоустойчивые схемы цифровой подписи ..............................................195 CRYSTALS-Dilithium .................................................................................................196 FALCON ......................................................................................................................... 197 GeMSS ...........................................................................................................................198 LUOV ..............................................................................................................................199 MQDSS ..........................................................................................................................199 Picnic .............................................................................................................................200 qTESLA ..........................................................................................................................200 Rainbow ........................................................................................................................201 SPHINCS+ .....................................................................................................................201 Общие замечания о ключе и размерах подписи .......................................204 Рекомендуемые предостережения .........................................................................204 Недостаток стандартов ..........................................................................................205 Проблемы производительности ........................................................................206 Отсутствие проверенной защиты ......................................................................206 Для дополнительной информации .......................................................................... 207 Резюме ................................................................................................................................ 207 7 Квантовая криптография ..............................................................................................208 Квантовые RNG................................................................................................................209 Случайное не всегда случайное ........................................................................209 Почему истинная случайность так важна? .....................................................211

Стр.11

Содержание 11 Квантовые RNG .........................................................................................................213 Квантовые хеши и подписи ......................................................................................219 Квантовые хеши .......................................................................................................219 Квантовые цифровые подписи ..........................................................................221 Квантовые шифры..........................................................................................................223 Распределение квантовых ключей ...................................................................224 Резюме ................................................................................................................................231 8 Квантовые сети ...................................................................................................................233 Компоненты квантовой сети ......................................................................................233 Среда передачи ........................................................................................................233 Расстояние против скорости ...............................................................................235 Точка–точка ................................................................................................................236 Доверенные повторители..................................................................................... 237 Квантовые повторители ........................................................................................239 Квантовые сетевые протоколы ..........................................................................241 Квантовые сетевые приложения ..............................................................................244 Более безопасные сети .........................................................................................245 Облако квантовых вычислений .........................................................................245 Лучшая временнáя синхронизация ..................................................................245 Предотвращение помех ........................................................................................ 247 Квантовый интернет ...............................................................................................248 Другие квантовые сети ................................................................................................248 Где получить больше информации ..........................................................................250 Резюме ................................................................................................................................250 9 Готовимся сейчас ..............................................................................................................251 Четыре основных этапа смягчения последствий постквантового прорыва ..............................................................................................................................251 Этап 1. Укрепление существующих решений ...............................................251 Этап 2. Переход к квантовоустойчивым решениям ...................................255 Этап 3. Применение квантово-гибридных решений .................................258 Этап 4. Применение полностью квантовых решений ...............................259 Шесть основных шагов проекта смягчения последствий постквантового прорыва ............................................................................................260 Шаг 1. Обучение .......................................................................................................261 Шаг 2. Создание плана ...........................................................................................265 Шаг 3. Сбор данных .................................................................................................270 Шаг 4. Анализ .............................................................................................................272 Шаг 5. Принять меры / исправить .....................................................................274 Шаг 6. Обзор и улучшение ...................................................................................276 Резюме ................................................................................................................................276 Приложение. Дополнительные источники по квантам ............................................278 Именной указатель ........................................................................................................................285 Предметный указатель ................................................................................................................286

Стр.12