QKD khác mật mã hậu lượng tử thế nào?

• Máy tính lượng tử đủ mạnh (khối đỏ)
• Hướng QKD: hai hạt rối
• Hướng PQC: bài toán toán học và mã nguồn

Bạn sẽ học được gì

• Nêu mối đe dọa của máy tính lượng tử với mật mã hiện nay.
• Mô tả PQC dựa vào điều gì và NIST đã làm gì.
• So sánh QKD và PQC theo nền tảng, dạng triển khai và vấn đề mỗi bên giải.

Cần biết trước

Nên đọc trước bài Phân phối khóa lượng tử giải quyết bài toán nào?. Bài này dùng lại thuật ngữ của bài đó.

Máy tính lượng tử đe dọa phần nào của mật mã?

Một máy tính lượng tử đủ lớn và tin cậy có thể đe dọa các hệ mật mã khóa công khai đang dùng. NIST nêu đây là lý do phát triển thuật toán kháng lượng tử. Không nên hình dung máy lượng tử chỉ thử mọi lời giải cùng lúc rồi đọc hết đáp án.

Bách khoa toàn thư Stanford mô tả cụ thể hơn trong bài về tính toán lượng tử: việc chạy thuật toán Shor trên một máy lượng tử quy mô lớn sẽ làm vô hiệu các hệ mật mã đang dùng rộng rãi, vốn dựa trên giả định rằng không có thuật toán hiệu quả cho bài toán phân tích thừa số.

Đe dọa này phụ thuộc bài toán và thuật toán, không phải khẳng định máy lượng tử nhanh hơn máy thường ở mọi việc. Một dự đoán thời điểm trong bản tin cũng không phải hạn chót chắc chắn để máy phá mã xuất hiện.

• Máy tính lượng tử đủ mạnh
• Ổ khóa của mã hóa hiện nay
• Vết nứt: khóa bị phá

Mật mã hậu lượng tử giải bài toán đó thế nào?

PQC thay các bài toán dễ bị máy lượng tử giải bằng những bài toán toán học khác. Theo NIST, các thuật toán đã được chuẩn hóa dựa trên những bài toán toán học khác, khó với cả máy tính thông thường lẫn máy tính lượng tử.

NIST bắt đầu việc chọn và chuẩn hóa các thuật toán kháng lượng tử năm 2015. Theo bản tin đề ngày 13 tháng Tám năm 2024, NIST đã hoàn tất bộ thuật toán mã hóa chính, thiết kế để chịu được tấn công từ một máy tính lượng tử. Ba chuẩn mới được công bố, gồm mã nguồn của các thuật toán, hướng dẫn cách triển khai và mục đích sử dụng.

Nghĩa là PQC là thứ có thể cài ngay vào hệ thống. NIST khuyến khích quản trị viên bắt đầu tích hợp ngay, vì việc tích hợp đầy đủ sẽ mất thời gian.

• Máy tính lượng tử đủ mạnh
• Bài toán toán học mới (ba hình sáu cạnh)
• Chuẩn đóng gói thành mã nguồn

QKD khác PQC ở đâu?

QKD khác PQC ở tài nguyên cần triển khai và chức năng được cung cấp. RFC 9583 mô tả cả QKD chuẩn bị-rồi-đo không cần cặp rối và QKD dựa trên rối. Cả quá trình tạo khóa còn cần xử lý cổ điển và xác thực. Trong khi đó, bản tin NIST công bố chuẩn cho thiết lập khóa và chữ ký số: PQC có phạm vi rộng hơn riêng việc chia sẻ khóa.

Bảng dưới đây gom các điều nguồn NIST nêu. Hai nguồn không so sánh trực tiếp hai hướng này; phần đặt cạnh nhau là của bài.

• QKD: cặp hạt rối
• PQC: dòng mã nguồn

Ví dụ trong đời sống

Hãy hình dung một công ty có hai kho dữ liệu ở hai thành phố. PQC cho họ một bộ thuật toán mới để thay phần mã hóa trong phần mềm hiện có, và việc cập nhật là việc của quản trị hệ thống. QKD thì đòi hỏi đường truyền và thiết bị lượng tử giữa hai nơi để tạo khóa từ các lần đo trên cặp photon rối.

Đây là tình huống giả định để minh họa khác biệt về dạng triển khai, không phải khuyến nghị cho một sản phẩm cụ thể.

Hiểu lầm thường gặp

PQC không phải mật mã chạy trên máy lượng tử. Theo NIST, đó là thuật toán mã hóa viết bằng mã nguồn, thiết kế để chịu được tấn công của máy lượng tử.

QKD và PQC không phải hai tên của cùng một thứ. Một bên thiết lập khóa qua trao đổi lượng tử, bên kia cung cấp các thuật toán mật mã chạy trên máy thường.

Máy tính lượng tử phá mật mã không phải điều đã xảy ra. Nguồn Stanford nói phá được chỉ khi chạy Shor ở quy mô lớn, và chưa có chứng minh cho sự vượt trội tổng quát của máy lượng tử.

Câu hỏi thường gặp

PQC là gì?

Là các thuật toán mã hóa dựa trên bài toán toán học khó với cả máy tính thông thường lẫn máy tính lượng tử. NIST đã hoàn tất bộ chuẩn chính.

QKD có thay được PQC không?

Không thể coi là thay thế toàn bộ. QKD thiết lập khóa, nhưng vẫn cần xác thực đối tác; PQC còn có thuật toán chữ ký số. Một đường QKD không tự cung cấp mọi chức năng đó.

Vì sao máy lượng tử đe dọa mật mã hiện nay?

Thuật toán Shor trên máy đủ lớn có thể giải hiệu quả bài toán phân tích thừa số mà RSA dựa vào. Điều này không đồng nghĩa mọi thuật toán mã hóa đều bị phá bằng cùng một cách.

NIST khuyến nghị gì?

NIST khuyến khích quản trị viên bắt đầu tích hợp các chuẩn mới ngay vì việc tích hợp đầy đủ sẽ mất thời gian.

Tóm tắt

• Máy tính lượng tử đủ mạnh có thể phá mã hóa hiện nay, nên có hai hướng đối phó.
• PQC dùng bài toán toán học khó với cả máy thường lẫn máy lượng tử, và NIST đã hoàn tất chuẩn chính.
• QKD tạo khóa bằng trao đổi lượng tử và xử lý cổ điển có xác thực; không phải mọi giao thức đều dùng rối.