Mỹ có kế hoạch chuyển sang các phương thức mã hóa kháng lượng tử

Có lẽ phải nhiều năm nữa, máy tính lượng tử mới trở thành hiện thực. Tuy nhiên, đầu tháng này, chính quyền Tổng thống Joe Biden đã bắt đầu thực hiện các biện pháp đề phòng. Trong một bản ghi nhớ mới về an ninh quốc gia, Nhà Trắng chỉ thị các cơ quan liên bang chuẩn bị chuyển từ các thuật toán mã hóa đang sử dụng trong bảo mật thông tin liên lạc trên internet và các mạng nội bộ, sang các thuật toán mới có khả năng chống lại sự tấn công của máy tính lượng tử.

Theo bản ghi nhớ, quá trình thay đổi hệ thống mã hóa sang "mật mã hậu lượng tử" sẽ bắt đầu vào năm 2024 và hoàn thiện trước năm 2035.

May mắn cho các công ty internet, mật mã hậu lượng tử chủ yếu liên quan đến những thay đổi phần mềm. Và "không cần đến một máy tính lượng tử để thực hiện các giải pháp mật mã hậu lượng tử này, nhưng quá trình chuyển đổi sẽ khá thách thức," nhà toán học Dustin Moody tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Mỹ (NIST) cho biết.

Một máy tính thông thường xử lý thông tin bằng cách chuyển các bit giữa hai trạng thái 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử điều khiển các bit lượng tử (qubit) thành 0, 1 hoặc, nhờ các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử, 0 và 1 cùng lúc. Các trạng thái hai chiều cùng một lúc như vậy cho phép máy tính lượng tử mã hóa toàn bộ các lời giải khả thi cho một vấn đề dưới dạng sóng lượng tử, tạo thành một dạng thử và sai khổng lồ và cực nhanh.

Từ năm 1994, các nhà khoa học đã biết rằng, về nguyên tắc, một máy tính lượng tử có thể bẻ khóa thuật toán mã hóa khóa công khai, dạng mã hóa sử dụng phổ biến hiện nay để liên lạc riêng tư trên internet hoặc một số mạng khác. Thuật toán mã hóa khóa công khai sử dụng một thuật toán công khai để mã hóa và giải mã thông tin giữa hai bên đang trao đổi - giả sử là A và B. Thuật toán và thông tin đã mã hóa đều công khai, ai cũng có thể nhìn thấy, nhưng không thể giải mã nếu không biết "khóa" bí mật đã được thống nhất giữa hai bên A và B. Nếu một kẻ nghe trộm - giả sử là E - nắm được "khóa" của hệ thống, họ có thể giải mã toàn bộ cuộc trao đổi.

Trong các hệ thống hiện tại, "khóa" là một số khổng lồ và là tích của hai số nguyên tố. Với năng lực tính toán hiện nay, kể cả của các siêu máy tính, rất khó để E giải ra các thừa số nguyên tố của một số khổng lồ như "khóa". Trong khi đó, A và B sẽ giữ bí mật những thừa số nguyên tố đó để mã hóa và giải mã thông tin giữa hai bên. Tuy nhiên, một máy tính lượng tử có thể nhanh chóng tìm đúng thừa số nguyên tố ngay cả đối với một con số khổng lồ. Với một máy tính lượng tử, E cũng dễ dàng giải mã thông tin.

Đối mặt với nguy cơ tấn công lượng tử trong tương lai, các nhà toán học và mật mã học đang tìm các phương án mã hóa khóa công khai mới. Ví dụ, thay vì là một số, "khóa" sẽ là một tập hợp các vectơ có thể được cộng lại với nhau để tạo ra một mạng các điểm, gọi là mạng tinh thể, trong không gian nhiều chiều. Sử dụng một tập hợp vectơ, B mã hóa thông điệp của mình dưới dạng một điểm trong mạng tinh thể. Ngay cả với máy tính lượng tử, E cũng rất khó xác định được tổ hợp chính xác các vectơ mà B đã sử dụng. Trong khi đó, A đã biết tập hợp vectơ để giải mã.

Kể từ năm 2017, NIST đã làm việc với các nhà nghiên cứu để phát triển tiêu chuẩn cho các thuật toán mã hóa hậu lượng tử, chẳng hạn như độ lớn cần thiết của "khóa". Các tiêu chuẩn này sẽ sớm được công bố, theo kịp kế hoạch 2024. Bản ghi nhớ cũng yêu cầu NIST ngay lập tức xây dựng dự án “làm việc với khu vực tư nhân để giải quyết các thách thức an ninh mạng do quá trình chuyển đổi sang mật mã kháng lượng tử”.

Một người bình thường có thể sẽ không để ý thấy quá trình chuyển đổi sang mã hóa hậu lượng tử. Tuy nhiên, để làm cho các thuật toán mã hóa mới hoạt động hiệu quả, các nhà sản xuất vi mạch sẽ phải điều chỉnh thiết kế của họ, Lily Chen, nhà toán học tại NIST cho biết. Do đó tốc độ ứng dụng các thuật toán mã hóa mới cũng phụ thuộc rất nhiều vào quyết định của các nhà sản xuất chip và nhà cung cấp thiết bị. “Một chiếc điện thoại thông minh mới có sử dụng mã hóa hậu lượng tử hay không sẽ là quyết định của nhà sản xuất," Chen nói.