Ученые ЛЭТИ подготовили первую в России монографию по квантовому криптоанализу

Широко используемые сегодня криптографические схемы и алгоритмы могут стать потенциально уязвимыми для квантовых компьютеров – вычислительных устройств, которые используют явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер позволяет обрабатывать все возможные состояния вычислительной среды одновременно, достигая существенного преимущества (квантового превосходства) над обычными компьютерами архитектуры фон Неймана в ряде алгоритмов. На данный момент полноценный или практически значимый квантовый компьютер является гипотетическим устройством. Однако его разработки ведут ученые многих стран мира, и в случае успеха потребуются новые модели и методы защиты информации.

«Стало понятно, что квантовые компьютеры в ближайшие 5-10 лет достигнут достаточной зрелости и окажутся способными к взлому большей части криптографических схем, используемых для защиты банковских платежных систем, криптовалют, смарт-контрактов, блокчейн-экосистем и платформ, сетей связи и систем защиты персональных данных. Также ряд экспертов говорит о том, что в случае создания квантового компьютера под угрозой могут оказаться системы гражданской и военной связи. Этой крайне актуальной теме посвящен наш научный труд», – поясняет автор книги, аспирант кафедры информационной безопасности (ИБ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Сергеевич Петренко.

Монография содержит актуальную практику решения задач квантового криптоанализа и синтеза постквантовых криптопримитивов для повышения кибербезопасности и киберустойчивости цифровой экономики. В исследовании проанализированы доступные национальные квантовые программы, используемые в семнадцати технологически развитых стран, включая национальную квантовую инициативу США. Помимо этого, авторы предложили ряд улучшений для ключевых квантовых алгоритмов.

В книге рассмотрены известные и авторские программные реализации перспективных квантовых алгоритмов Шора, Гровера, Саймона и др. Существенно, что алгоритм Шора обеспечивает значительно ускорение решения задач, которые сегодня повсеместно используются во многих криптографических приложениях, протоколах связи, в алгоритмах цифровых подписей, а также в алгоритмах шифрования с открытым ключом.

«Наша работа является одной из первых монографий по ключевым вопросам прикладного квантового криптоанализа. Актуальность темы достаточно высокая, так как квантовые методы криптоанализа только начинают получать распространение. В настоящее время практически нет открытых монографий по данной теме, известно лишь о нескольких диссертациях. Большинство книг посвящены традиционным методам и алгоритма криптоанализа. Поэтому сейчас в России наше исследование является первой монографией по актуальным вопросам прикладного квантового криптоанализа криптопримитивов, получивших широкое распространение в ключевых экосистемах цифровой экономики Российской Федерации», – добавляет научный редактор книги, профессор кафедры ИБ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Сергей Анатольевич Петренко.

Значительная часть положений, представленных в монографии, является результатом научной деятельности кафедры информационной безопасности, сотрудники которой совместно со студентами, аспирантами и выпускниками ведут ряд проектов по квантовой криптографии. Среди наиболее важных разработок – система защиты банковских сервисов, физически защищенные (от прослушивания или кражи) каналы для передачи информации, а также протоколы, которые позволяют повысить эффективность использования памяти в сто раз за счет сжатия информации на носителе.

«По ряду направлений в сфере квантовой криптографии мы опережаем научные коллективы других стран. В первую очередь, это связано с тем, что у нас уже много лет, с 2014 года, ведутся разработки совместно с индустриальными партнерами. Такой формат работы позволил вывести данную научную область на передовые позиции в мире – по квантовым материалам и программно-аппаратному обеспечению. Помимо этого, новая монография является примером высоких результатов в части теоретического обоснования квантовой криптографии», – поясняет заведующий кафедрой ИБ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Евгений Германович Воробьев.

В монографии также представлены основные научные результаты Центра информационной безопасности Университета Иннополис, которые были получены в ходе научно-исследовательской деятельности авторов в рамках выполнения грантов РФФИ, а также грантового соглашения с Академией наук Республики Татарстан.