Trong khi máy tính lượng tử đã tạo ra nhiều tiêu đề báo chí về tiềm năng phá vỡ hệ thống mã hóa hiện đại, thực tế phức tạp hơn nhiều so với những gì được thổi phồng. Một phân tích gần đây tiết lộ những thách thức kỹ thuật to lớn vẫn còn tồn tại giữa máy tính lượng tử ngày nay và khả năng bẻ khóa những con số có ý nghĩa mật mã học.
Cuộc thảo luận tập trung xung quanh một câu hỏi cơ bản: nếu máy tính lượng tử gặp khó khăn trong việc phân tích thừa số của con số đơn giản 21, làm sao chúng có thể đe dọa các hệ thống mã hóa trong thế giới thực? So sánh này làm nổi bật khoảng cách khổng lồ giữa khả năng hiện tại và các yêu cầu để phá vỡ mã hóa được sử dụng trong các ứng dụng hàng ngày.
Quy mô của thách thức
Việc phá vỡ mã hóa thực sự quan trọng đòi hỏi một lượng sức mạnh tính toán gần như không thể tưởng tượng được. Để phân tích thừa số một số RSA 2048-bit - loại được sử dụng để bảo mật ngân hàng trực tuyến và truyền thông - các nhà nghiên cứu ước tính cần khoảng 7 tỷ cổng Toffoli và khoảng một triệu qubit vật lý. Điều này thể hiện sự gia tăng đáng kinh ngạc từ hàng nghìn cổng logic chỉ cần thiết để phân tích thừa số của 21.
Các yêu cầu sửa lỗi lượng tử khiến điều này trở nên đáng sợ hơn nữa. Mỗi qubit logic cần thiết cho phép tính phải được xây dựng từ hàng trăm hoặc hàng nghìn qubit vật lý để duy trì tính ổn định. Với tỷ lệ lỗi hiện tại khoảng 0,01% đối với các hệ thống lượng tử tốt nhất, chi phí phụ trở nên khổng lồ khi mở rộng quy mô lên các vấn đề có liên quan đến mật mã học.
Cổng Toffoli là một loại cổng logic lượng tử thực hiện các phép toán có thể đảo ngược, thiết yếu cho các thuật toán lượng tử như thuật toán Shor được sử dụng trong phân tích thừa số.
Yêu cầu phân tích RSA 2048-bit:
- Số cổng ước tính cần thiết: ~7 tỷ cổng Toffoli
- Số qubit vật lý yêu cầu: ~1 triệu
- Sửa lỗi: Mã bề mặt khoảng cách 25
- Qubit logic: ~1.400
- Thời gian tính toán ước tính: ~1 tuần (giả định xung nhịp 1MHz)
Kiểm tra thực tế về thời gian
Bất chấp những thách thức kỹ thuật, thời gian để máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ mã hóa vẫn được tranh luận sôi nổi. Một số chuyên gia chỉ ra rằng còn 75 năm nữa trong thế kỷ này - một khoảng thời gian vô cùng dài trong thuật ngữ công nghệ. So sánh với tiến bộ của máy tính cổ điển thật ấn tượng: chúng ta đã đi từ máy tính có kích thước cả căn phòng đến điện thoại thông minh trong một khoảng thời gian tương tự.
Tuy nhiên, những người khác lưu ý một sự khác biệt quan trọng giữa việc mở rộng quy mô cổ điển và lượng tử. Máy tính kỹ thuật số trở nên mạnh mẽ hơn đơn giản bằng cách làm cho các thành phần nhỏ hơn và thêm nhiều thành phần hơn. Máy tính lượng tử đối mặt với độ phức tạp tăng theo cấp số nhân khi chúng phát triển, với tiếng ồn và tỷ lệ lỗi làm tăng thêm thách thức.
Thế kỷ này còn lại 75 năm, và đó là một khoảng thời gian vô cùng dài trong thời gian công nghệ. 75 năm trước, công nghệ tiên tiến nhất trong máy tính cổ điển là Univac .
So sánh tiến trình Quantum và Máy tính Cổ điển:
- Tiến bộ máy tính cổ điển: UNIVAC (1951) đến máy tính hiện đại (75 năm)
- Tiến bộ hàng không: Chuyến bay đầu tiên (1903) đến việc đổ bộ mặt trăng (1969) - 66 năm
- Trạng thái quantum hiện tại: Có thể phân tích các số nhỏ như 15 và 21 với tối ưu hóa đáng kể
Phản ứng của cộng đồng mật mã học
Cộng đồng mật mã học không chờ đợi để tìm hiểu khi nào máy tính lượng tử có thể xuất hiện. Các tiêu chuẩn mật mã học hậu lượng tử đã được triển khai, được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công từ cả máy tính cổ điển và lượng tử. Cách tiếp cận chủ động này có nghĩa là ngay cả khi máy tính lượng tử đạt được quy mô cần thiết, phần lớn cơ sở hạ tầng kỹ thuật số của chúng ta sẽ đã được bảo vệ.
Việc tập trung vào mã hóa chống lượng tử phản ánh một nguyên tắc chính trong an ninh mạng: chuẩn bị cho các mối đe dọa lý thuyết trước khi chúng trở thành thực tế. Trong khi máy tính lượng tử hiện tại không thể phá vỡ mã hóa, nền tảng toán học cho những cuộc tấn công như vậy tồn tại, khiến việc chuyển đổi sang các hệ thống chống lượng tử trở thành một biện pháp phòng ngừa thận trọng.
Những hạn chế hiện tại của máy tính lượng tử:
- Tỷ lệ lỗi cổng tốt nhất: <0.01%
- Phân tích thừa số 21 yêu cầu: 2,405 cổng entangling
- Chi phí tăng từ phân tích thừa số 15 lên 21: ~115 lần
- Chi phí dự kiến cho việc phân tích thừa số các số lớn hơn: ~500 lần cho mỗi lần tăng tương tự
Ngoài việc phá vỡ mã hóa
Thú vị thay, lĩnh vực máy tính lượng tử có thể tìm thấy các ứng dụng có giá trị nhất hoàn toàn bên ngoài mật mã học. Mô phỏng hóa học lượng tử, các vấn đề tối ưu hóa và ứng dụng học máy có thể mang lại lợi ích thực tế lâu trước khi máy tính lượng tử trở nên đủ lớn để đe dọa các hệ thống mã hóa.
Con đường phát triển cho máy tính lượng tử dường như đang phân kỳ, với các ứng dụng chuyên biệt cho thấy triển vọng trong khi máy tính lượng tử phổ quát cần thiết cho phân tích thừa số quy mô lớn vẫn còn nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ nữa. Điều này cho thấy rằng cuộc cách mạng lượng tử có thể đến một cách dần dần, trong các lĩnh vực cụ thể, thay vì như một bước đột phá đột ngột phá vỡ tất cả mã hóa trong một đêm.
Tham khảo: Algorithms, Assertions Why haven't quantum computers factored 21 yet?