Tầm quan trọng của mật mã hậu lượng tử

Phát biểu trước lúc 2 sắc lệnh được ký, cố vấn khoa học Nhà Trắng Michael Kratsios nhấn mạnh công nghệ lượng tử gắn liền với an ninh quốc gia cũng như là ưu tiên kinh tế. Ở nhiệm kì đầu ông Trump đã tăng gấp đôi ngân sách cho nghiên cứu - phát triển lĩnh vực này đồng thời thành lập 5 viện nghiên cứu lượng tử quốc gia.

Một trong 2 sắc lệnh vừa ký chỉ đạo các cơ quan liên bang đến năm 2028 hoàn thành phát triển máy tính lượng tử phục vụ khoa học. Ngoài ra Bộ Thương mại, Bộ Năng lượng, Bộ Quốc phòng, NASA phải xây dựng kế hoạch triển khai cảm biến cùng công nghệ mạng lượng tử trong vòng 5 năm tới.

Sắc lệnh thứ hai tập trung vào an ninh mạng, yêu cầu đến tháng 12/2031 tất cả cơ quan liên bang đều chuyển sang sử dụng mật mã hậu lượng tử - rút ngắn thời gian so với mục tiêu năm 2035 đề ra trước đây.

Sức mạnh của điện toán lượng tử

Không dùng bit nhị phân gồm số 1 và số 0 như máy tính thông thường, máy tính lượng tử dựa vào qubit (chuyển động vật lý cùng vị trí của electron và photon) để xử lý thông tin.

Thay vì chỉ bật hoặc tắt, qubit còn có thể ở trạng thái vừa bật vừa tắt cùng lúc hoặc trạng thái nằm giữa. Máy tính lượng tử dễ dàng đồng thời xem xét một số khả năng hay phép tính chứ không phải xem xét lần lượt – hứa hẹn xử lý thông tin với tốc độ lẫn quy mô chưa từng thấy.

Càng nhiều qubit thì máy tính hoạt động càng nhanh. Năm 2021, Đại học Khoa học - Công nghệ Trung Quốc từng trình diễn dùng bộ xử lý 66 qubit thực hiện phép tính mà các siêu máy tính ngày nay phải mất 8 năm mới giải được trong vòng chỉ 1,2 giờ.

Sức mạnh như vậy cho phép máy tính lượng tử tính toán đủ nhanh để bẻ khóa thuật toán mã hóa hiện tại. Rủi ro bảo mật lớn đến nỗi giới khoa học đặt ra “ngày Q” – ngày mà máy tính lượng tử mạnh mẽ khiến tất cả phương thức mã hóa hiện tại trở nên vô dụng.

Chuyển đổi sang một thế giới hoạt động dựa trên điện toán lượng tử sẽ là một đợt nâng cấp quan trọng bậc nhất của nhân loại, đem lại cơ hội to lớn cho nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu khoa học, nắm bắt thông tin kinh doanh cho đến an ninh quốc gia. Vì vậy các quốc gia đang chạy đua trang bị sức mạnh này.

Rủi ro bảo mật

Không ít thuật toán mã hóa hiện tại đang đóng vai trò bảo vệ hoạt động chiến lược cấp tổ chức, thậm chí cấp quốc gia. Nếu một ngày nào đó xuất hiện máy tính lượng tử sở hữu lượng lớn qubit hoạt động ổn định, bắt đầu tấn công hệ thống phòng thủ mật mã thì hậu quả sẽ rất khôn lường.

Phần lớn phương thức mã hóa dựa vào độ khó của phân tích các số lớn thành thừa số nguyên tố. Tuy nhiên máy tính lượng tử có thể thực hiện phép tính - gồm cả phân tích các số lớn - vô cùng nhanh chóng bằng cách sử dụng thuật toán Shor, qua đó phá vỡ loạt thuật toán mã hóa được sử dụng rộng rãi như RSA hay ECC, khiến danh tính kỹ thuật số dễ bị đánh cắp, lừa đảo và khai thác.

Ví điện tử, tài khoản ví, tài khoản ngân hàng thường được bảo vệ bằng khóa công khai (số tài khoản) lẫn khóa riêng tư (mật khẩu, chữ ký cá nhân). Với thuật toán Shor, máy tính lượng tử chẳng gặp khó khăn gì khi tìm ra khóa riêng tư từ khóa công khai, gây nên thiệt hại tài chính ngoài đời thực.

Nhưng không phải hệ thống bảo mật nào cũng dễ bị tấn công. Giới chuyên gia dự đoán máy tính lượng tử dễ dàng phá vỡ hoàn toàn thuật toán mã hóa phi đối xứng, còn thuật toán đối xứng giảm một nửa hiệu quả.

Trên lý thuyết có thể chuyển sang thuật toán đối xứng và tăng gấp đôi độ dài khóa mã hóa để cải thiện khả năng bảo vệ. Tuy nhiên đây không phải lựa chọn thực tế, suốt hàng thập kỷ nay hầu hết hệ thống thông tin ở mọi lĩnh vực đều sử dụng thuật toán đối xứng lẫn phi đối xứng. Hơn nữa khóa công khai có nhiều ưu điểm khiến chúng trở nên không thể thiếu với nhiều hệ thống. Do đó nhân loại cần cách tiếp cận hoàn toàn mới.

Mật mã hậu lượng tử

Trước mối đe dọa “ngày Q”, giới nghiên cứu không ngừng tìm kiếm giao thức mật mã an toàn khi đối phó với máy tính lượng tử.

Giải pháp có thể nằm ở mật mã hậu lượng tử (PQC) – loại mật mã dựa trên thuật toán mã hóa mới an toàn trước hoạt động tấn công từ cả máy tính truyền thống lẫn máy tính lượng tử.

Hướng nghiên cứu PQC chủ yếu tập trung vào một số phương pháp: mật mã dựa trên lưới (lattice-based cryptography), mật mã dựa trên đa biến (multivariate-based cryptography), mật mã dựa trên hàm băm (hash- based cryptography), mật mã dựa trên mã (code- based cryptography) và mật mã dựa trên đẳng giống (isogeny-based cryptography).

Giới chuyên gia bảo mật tin rằng “ngày Q” sắp đến vào thập kỷ tới. Vì vậy nỗ lực phát triển PQC cần được đẩy nhanh và triển khai rộng rãi.