Kvantno računarstvo predstavlja potpuno nov koncept računalnih sustava u odnosu na one koji nas okružuju danas. Temeljena na kvantnoj mehanici, kvantna računala koriste qubite koji omogućuju istovremenu obradu podataka u više stanja zahvaljujući fenomenima superpozicije i zapletenosti [1]. Ova tehnološka inovacija obećava rješavanje problema koji su za klasična računala praktički nerješivi ili će za njihovo rješavanje trebati jako puno vremena, koliko u stvarnosti ne možemo čekati na izvršavanje. Međutim, kvantno računarstvo donosi i značajne izazove, osobito u području sigurnosti informacija.

Današnji sigurnosni sustavi temelje se na kriptografskim algoritmima, poput RSA i ECC, koji se oslanjaju na složenost matematičkih problema za zaštitu podataka [2]. Kvantni algoritmi, poput Shorovog, mogu brzo razbiti te sustave, ugrožavajući povjerljivost i integritet osjetljivih informacija [3]. Osim što otvaraju vrata za nove vrste napada, kvantna računala nude i prilike za unapređenje sigurnosnih tehnologija, poput kvantne distribucije ključeva (QKD) i postkvantne kriptografije (PQC).

Ovaj rad istražuje utjecaj kvantnog računarstva na sigurnost. Kroz odgovore na ključna pitanja — što je kvantno računarstvo, tko može imati koristi ili štetu, čemu služi, te koje su posljedice i mogućnosti — nastojat će se obuhvatiti ne samo prijetnje koje kvantna računala predstavljaju, već i strategije za prilagodbu. Također, dotaknut će se i razvoj kvantno otpornih tehnologija.

Kvantno računarstvo je grana računalnih znanosti koja koristi principe kvantne mehanike za obradu podataka. Kvantna mehanika kao takva je grana fizike koja opisuje ponašanje subatomskih čestica. Kvantno računarstvo je kao koncept prvi predstavio Richard Feynman 1982. [1]. Umjesto tradicionalnih bitova, koji mogu biti samo u jednom od dva stanja (0 ili 1), kvantna računala koriste kvantne bitove ili qubite, koji mogu postojati u više stanja istovremeno [4] zahvaljujući fenomenima kao što su superpozicija i kvantna zapletenost. Glavna razlika između kvantnih i klasičnih računala leži u načinu na koji obrađuju podatke. Klasična računala procesiraju podatke logički i sekvencijalno, dok s druge strane, kvantna računala procesiraju podatke kvantnom logikom, paralelno, oslanjajući se na interferenciju. Ova paralelna obrada omogućava kvantnim računalima da rješavaju specifične, složene probleme brže nego klasična računala [5]. Slika 1 prikazuje razliku između kvantnih i klasičnih računala.

Slika 1 Razlika kvatnih i klasičnih računala [4]

Postoji nekoliko osnovnih principa, fenomena, kvantnog računarstva koji omogućavaju značajno povećanje snage i performansi kvantnih računala kod određenih zadataka te otvaraju mogućnost rješavanja klasičnim računalima nerješivih problema [6]:

• Superpozicija:

Klasični bitovi mogu biti samo u jednom od dva stanja – 0 ili 1. Međutim, kvantni bitovi, ili qubit, mogu biti u superpoziciji, što znači da mogu istovremeno predstavljati oba stanja. Ova sposobnost omogućuje kvantnim računalima da paralelno obrađuju mnogo više podataka nego klasična računala, čime se postiže poboljšanje performansi sustava, pogotovo kod specifičnih zadataka za koje obična računala trebaju jako puno vremena, poglavito matematičke zadatke [7].

• Kvantna zapletenost (Entanglement):

Kvantna zapletenost je fenomen u kojem dva ili više qubita postaju međusobno povezani na način da stanje jednog qubita ovisi o stanju drugog, bez obzira na udaljenost između njih [1]. Ovaj fenomen omogućuje kvantnim računalima da efikasno dijele informacije i surađuju pri obradama podataka na način koji je nemoguć za klasična računala, čime omogućuju bržu obrada podataka, odnosno učinkovito izvršavanje složenih operacija [8]. Ovaj je fenomen ključan princip kvantne distribucije ključeva [5].

• Interferencija:

Interferencija je proces u kojem se valne funkcije qubita mogu međusobno pojačati ili poništiti, čime kvantna računala mogu “filtrirati” točne rezultate, istovremeno eliminirajući pogrešne [5]. Kroz interferenciju, kvantna računala mogu doći do željenih rezultata brže i preciznije, nego što bi to bilo moguće u klasičnim računalima [4].

Također bitna stvar za napomenuti kod kvantnih računala su kvantna vrata koja se koriste za manipulaciju stanja qubita. Kvantna vrata, poput Hadamardovih, Pauli-X i CNOT [9], omogućuju izvođenje operacija koje stvaraju i kontroliraju superpoziciju te zapletenost. Vrata čine osnovu kvantnih algoritama koji omogućuju rješavanje problema za čije se ubrzavanje i radi na kvantnim računalima. Na primjer, Shorov algoritam koristi kvantna vrata za faktorizaciju velikih brojeva, dok Groverov algoritam pruža kvadratno ubrzanje u pretrazi nesortiranih podataka [4]. Samim tim, očito je da algoritmi kvantnih računala, u usporedbi s klasičnima, koriste principe poput superpozicije, zapletenosti i interferencije kako bi efikasnije rješavala složene probleme [4].

Kvantna računala dijele se u dvije glavne kategorije [1]:

1. Univerzalna kvantna računala: Dizajnirana za izvođenje širokog spektra zadataka, uključujući složene kvantne algoritme poput Shorovog za faktorizaciju i Groverovog za ubrzanje pretraga.
2. Specijalizirana kvantna računala: Optimizirana za specifične primjene, poput simulacije kemijskih reakcija ili optimizacijskih problema.

Kvantna računala imaju potencijal za rješavanje problema koji uključuju velike količine podataka ili složene matematičke operacije, poput simulacije molekularnih struktura, optimizacije i algoritama pretrage [5], brže nego što to može učiniti klasično računalo. Osim brzine obrade, kvantna računala mogu poboljšati i kontrolu pristupa, sigurnost oblaka, bolje osigurati distribuciju sadržaja te također mogu naći primjenu u strojnom i dubokom učenju, bazama podataka i mrežnoj sigurnosti [3]. Primjena kvantnih računala su područja kriptografije, farmakologije, strojnog učenja, kemije, također i proizvodnja, proizvodnja, financije i komunikacije [10] [5].

Unatoč velikom potencijalu, kvantno računarstvo suočava s nekoliko tehničkih izazova. Kvantni sustavi su vrlo osjetljivi na vanjske smetnje, uključujući toplinu, buku i elektromagnetsko zračenje, a interakcije s okolinom mogu uzrokovati dekoherenciju, što znači da kvantni bitovi gube svoja kvantna svojstva i postaju neupotrebljivi [1] [4]. Samim tim, kvantni sustavi ne mogu dugo zadržati svoje stanje. Da bi se izbjegli ovi problemi, kvantna računala moraju raditi u ekstremnim uvjetima, poput temperature blizu apsolutne nule (-273,15 °C), kako bi se stabilizirala kvantna svojstva. Zbog tog vrlo vjerojatno nećemo u skorije vrijeme vidjeti kvantne čipove u našim laptopima ili računalima. Osim toga, kvantni sustavi zahtijevaju visoko preciznu tehnologiju i infrastrukturu koja je izuzetno skupa i složena za implementaciju. Postoji i mogućnost da međusobne, neželjene, interakcije qubita izazovu grešku i pogrešan rezultat (Crosstalk). Također, algoritmi su zbog kvantne mehanike probabilistički i vraćaju više rješenja [4].

Osim tehničkih izazova, kvantna računala donose i negativne implikacije za mnoge današnje tehnologije. Kvantna računala imaju potencijal ugroziti (razbiti) današnje kriptografske algoritme (ne postoje nikakvi standardi za zaštitu klasičnih sustava od kvantnih tehnologija [10]) te sigurnost blockchain tehnologije [3]. Niz napada kao što su harvest-now, decrypt-later napadi postaju mogući korištenjem kvantne tehnologije [11] [12].

Danas kvantno računarstvo napreduje. Tvrtke kao što su IBM, Google i Intel razvijaju kvantna računala i kvantne algoritme, koji omogućuju rješavanje određenih problema brže nego što je to ikada bilo moguće s klasičnim računalima. Npr. Google Sycamore računalo je pokazalo kvantnu nadmoć riješivši zadatak za koji bi najbržem klasičnom računalu na svijetu trebalo 10000 godina u 200 sekundi [13]. Apple je u veljači 2024. uveo PQ3 protokol koji bi navodno trebao štiti protiv kvantnih napada (post-quantum enkripcijski algoritam) zbog harvest-now, decrypt-later napada [14]. Kvantno računarstvo danas je često zastupljeno i u raznim popularnim medijima [15]. Slika 2 prikazuje primjer današnjeg kvantnog računala.

Slika 2 Kvantno računalo [16]

Kriptografija nam danas osigurava povjerljivost, integritet, autentičnost i nepristranost podatka [1]. Današnji sigurnosni sustavi temelje se na dva glavna tipa kriptografije: asimetričnoj i simetričnoj.

• Asimetrična kriptografija: Algoritmi poput RSA (Rivest-Shamir-Adleman) i ECC (Elliptic Curve Cryptography) oslanjaju se na matematičku složenost problema faktorizacije velikih brojeva i diskretnih logaritama [17]. Ovi algoritmi ključni su za sigurne mrežne protokole, poput TLS-a i HTTPS-a, koji omogućuju sigurne online transakcije i razmjenu podataka. Ovaj tip kriptografije koristi dva ključa: privatni i javni, koji su povezani navedenim složenim matematičkim operacijama [9] i time su praktički sigurni od curenja informacija od napada klasičnim računalima [1].

• Simetrična kriptografija: Algoritmi poput AES-a (Advanced Encryption Standard) koriste isti ključ za šifriranje i dešifriranje podataka. AES je široko primijenjen zbog svoje brzine i sigurnosti te se koristi u zaštiti datoteka, komunikacija i podataka u mirovanju [3].

Ranije objašnjenim značajkama, kvantna računala mogu izvršavati algoritme koji imaju sposobnost u potpunosti ili djelomično probiti danas korištene kriptografske algoritme:

• Shorov algoritam: Omogućuje učinkovito faktoriziranje velikih brojeva i rješavanje diskretnih logaritama. Ovo znači da algoritmi RSA i ECC postaju ranjivi na kvantna računala, što ugrožava sigurnost svih sustava koji koriste ove protokole. Shorov algoritam ima potencijal primjene u razbijanju enkripcija, kriptoanalizi i sigurnosnim istraživanjima [6] [8].

• Groverov algoritam: Pruža kvadratno ubrzanje u pretrazi nesortiranih podataka. Iako ne razbija u potpunosti simetrične algoritme, poput AES-a, smanjuje efektivnu sigurnost ključa na polovinu njegove duljine. Na primjer, AES-256 postaje ekvivalentan AES-128, što zahtijeva veće duljine ključa kako bi se osigurala otpornost na kvantne napade. Ovo nameće potrebu za većim ključevima, primjerice AES-512, kako bi se održala otpornost na kvantne napade [6] [8].

Posljedice znače da je kvantnim računalima moguće u potpunosti ili puno jednostavnije probiti današnje kriptografske algoritme kojima je sve zaštićeno i time može doći do narušavanja povjerljivosti, krađe identiteta, financijske prevare i cyber špijunaže [18]. Iako ta prijetnja nije trenutno aktualna, ona je predvidiva te je vrlo vjerojatno da će u budućnosti biti stvarna, ne samo teoretska. Time, kvantno računalstvo prijeti integritetu i povjerljivosti informacija na globalnoj razini. Stručnjaci kažu da smo u ovom trenutku više od desetljeća udaljeni od te moći kvantnih računala [19]. Organizacije koje ovise o trenutnim enkripcijskim standardima morat će prilagoditi svoje sigurnosne sustave ako žele da ostanu sigurni.

Kvantno računarstvo svojim mogućnostima otvara i nove mogućnosti napada na računalne sustave. Najpoznatiji i najčešće spominjan je Harvest-now, decrypt-later: napadači već danas prikupljaju šifrirane podatke s namjerom da ih dešifriraju u budućnosti koristeći kvantna računala, kad ona postanu dovoljno moćna i dostupna za dešifriranje tih podataka. To predstavlja ozbiljnu prijetnju za osjetljive podatke s dugoročnom vrijednošću, poput državnih dokumenata, financijskih podataka i zdravstvenih zapisa [2]. Također, omogućavaju se napadi na blockchain: kvantni algoritmi mogu ugroziti sigurnost blockchain sustava pronalaženjem kolizija u hash funkcijama i slabljenjem sigurnosti digitalnih potpisa koji se koriste za verifikaciju transakcija.

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa