КИБЕРБЕЗОПАСНОСТЬ В ЭПОХУ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ: УГРОЗЫ И СТРАТЕГИИ ЗАЩИТЫ

AI VERSUS AI: USING ARTIFICIAL INTELLIGENCE TO DETECT AND PREVENT CYBER ATTACKS

Mikhailov Andrey Alekseevich

Student, Department of Information Security, Southwest State University,

Russia, Kursk

Mikhailova Olesya Yurievna

Student, Department of Information Security, Southwest State University,

Russia, Kursk

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются возможности квантовых компьютеров, используемые алгоритмы, основные угрозы, связанные с внедрением квантовых вычислений, а также возможные стратегии защиты, которые помогут обеспечить безопасность данных в будущем.

ABSTRACT

This article discusses the capabilities of quantum computers, the algorithms used, the main threats associated with the introduction of quantum computing, as well as possible protection strategies that will help ensure data security in the future.

Ключевые слова: кибербезопасность, квантовый компьютер, алгоритм Шора, криптография, алгоритм шифрования.

Keywords: cybersecurity, quantum computer, Shore's algorithm, cryptography, encryption algorithm.

Квантовые вычисления представляют собой революционный прорыв в области технологий, который обещает кардинально изменить подходы к решению сложных задач. Однако развитие квантовых технологий также создает новые вызовы для кибербезопасности. Традиционные методы шифрования, которые десятилетиями считались надежными, могут оказаться уязвимыми перед мощью квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры работают на принципах квантовой механики, таких как суперпозиция и запутанность. В отличие от классических битов, которые могут принимать значения 0 или 1, квантовые биты (кубиты) могут находиться в состоянии суперпозиции, что позволяет им одновременно обрабатывать множество состояний. Это делает квантовые компьютеры потенциально способными решать задачи, недоступные для классических систем, такие как факторизация больших чисел или поиск в неструктурированных базах данных.

Одним из ключевых алгоритмов, демонстрирующих возможности квантовых вычислений, является алгоритм Шора. Этот алгоритм позволяет эффективно разлагать большие числа на простые множители – задача, которая лежит в основе современных криптографических систем, таких как RSA. Таким образом, квантовые компьютеры угрожают основам существующей криптографической безопасности.

Асимметричная криптография, используемая для шифрования данных, цифровых подписей и управления ключами, основана на математической сложности определенных задач, таких как факторизация больших чисел (RSA) или дискретное логарифмирование (ECC). Квантовые компьютеры могут решать эти задачи за полиномиальное время, что делает традиционные алгоритмы уязвимыми. Например, алгоритм Шора может взломать RSA-шифрование за несколько часов, тогда как классическим компьютерам для этого потребовались бы миллионы лет.

Даже если квантовые компьютеры еще не достигли достаточной мощности, злоумышленники могут начать собирать зашифрованные данные прямо сейчас, чтобы расшифровать их позже, когда квантовые технологии станут доступнее. Эта стратегия, известная как "запись сейчас, расшифровка потом", особенно опасна для долгосрочных данных, таких как медицинские записи, финансовая информация или государственные секреты.

Хотя симметричные алгоритмы шифрования (например, AES) менее подвержены атакам квантовых компьютеров, они также могут быть скомпрометированы. Алгоритм Гровера позволяет квантовым компьютерам выполнять поиск по ключевому пространству в квадратичном времени, что снижает эффективную длину ключа вдвое. Например, AES-256 будет эквивалентен AES-128 при атаке с использованием квантового компьютера.

Компрометация криптографических систем может привести к серьезным социальным и экономическим последствиям. Финансовые системы, электронная коммерция, облачные сервисы и даже национальная безопасность окажутся под угрозой. Потеря доверия к цифровым технологиям может замедлить прогресс в других областях, таких как искусственный интеллект и интернет вещей.

Стратегии защиты в условиях квантовых угроз следующие: переход на постквантовую криптографию, гибридные криптографические системы, квантовая криптография.

Постквантовая криптография представляет собой набор алгоритмов, устойчивых к атакам квантовых компьютеров. Эти алгоритмы основаны на математических задачах, которые остаются сложными даже для квантовых систем. Например:

• криптография на основе решеток: использует сложность решения задач на многомерных решетках;
• криптография на основе кодов: основана на теории кодирования и декодирования ошибок;
• криптография на основе мультивариантных полиномов: решение систем нелинейных уравнений остается трудной задачей;
• криптография на основе хэш-функций: использует свойства криптографических хэшей.

В 2022 году Национальный институт стандартов и технологий (NIST) завершил первый этап стандартизации постквантовых алгоритмов, выбрав несколько кандидатов для дальнейшего тестирования.

Гибридные системы сочетают традиционные и постквантовые алгоритмы, обеспечивая защиту как от классических, так и от квантовых атак. Такой подход позволяет постепенно внедрять новые технологии без полного отказа от существующих решений.

Квантовая криптография, в частности протокол BB84, использует принципы квантовой механики для создания абсолютно безопасных каналов связи. Этот метод основан на невозможности перехвата информации без изменения ее состояния, что делает его устойчивым к любым видам атак, включая квантовые.

Квантовые вычисления открывают новые горизонты, но вместе с тем создают значительные вызовы для кибербезопасности. Переход на постквантовую криптографию станет ключевым шагом в обеспечении защиты данных в будущем. Однако это требует совместных усилий со стороны ученых, разработчиков, правительств и бизнеса.

Кроме того, важно помнить, что квантовые технологии сами по себе могут стать инструментом повышения безопасности. Например, квантовые сети и квантовые компьютеры могут быть использованы для создания новых методов защиты данных, которые будут недоступны для классических систем.

Развитие квантовых вычислений ставит перед человечеством сложные вопросы о будущем кибербезопасности. Хотя квантовые компьютеры способны компрометировать существующие криптографические системы, своевременное внедрение постквантовых технологий и грамотное планирование перехода помогут минимизировать риски. Квантовая эра требует нового мышления, адаптивных стратегий и международного сотрудничества для обеспечения безопасности в цифровом мире.

Список литературы:

1. Штеренберг С.И., Бударный Г.С., Ахметов Р.Р. Обеспечение безопасности на высокоуровневой среде Windows // Региональная информатика (РИ-2022). Юбилейная XVIII Санкт-Петербургская международная конференция. Материалы конференции. Санкт-Петербург, 2022. С. 585-586.
2. Штеренберг С.И., Бударный Г.С., Чумаков И.В. Методика обеспечения безопасности доменных систем доверенной зоны // Региональная информатика и информационная безопасность. Сборник трудов Юбилейной XVIII Санкт-Петербургской международной конференции. Санкт-Петербург, 2022. С. 621-625.
3. Гельфанд А.М., Сигачева В.В., Архипов А.В., Сиротина Л.К. Анализ и управление рисками информационной безопасности объекта критической информационной инфраструктуры // Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 1: Естественные и технические науки. 2023. № 3. С. 21-27.
4. Красов А.В., Гельфанд А.М., Коржик В.И., Котенко И.В., Петрив Р.Б., Сахаров Д.В., Ушаков И.А., Шариков П.И., Юркин Д.В. Построение доверенной вычислительной среды, Санкт-Петербург, 2019.
5. Пестов И.Е., Кошелева С.А. Атаки на облачную инфраструктуру // Инновационные решения социальных, экономических и технологических проблем современного общества. Сборник научных статей по итогам круглого стола со всероссийским и международным участием. Москва, 2021. С. 113-115.