Kvantekryptografi: Fremtidens ubrydelige datasikkerhed

Datasikkerhed er afgørende i vores digitale tidsalder. Kvantekryptografi lover en revolutionerende løsning, der udnytter kvantemekanikkens love til at skabe ubrydelig sikkerhed, selv mod trusler fra fremtidens kvantecomputere.

Den voksende trussel fra kvantecomputere

Den nuværende digitale sikkerhed er truet. Offentlig nøglekryptografi, som bruges i alt fra sikre internetforbindelser (HTTPS) til digitale signaturer, bygger på matematiske problemer, som er meget svære for traditionelle computere at løse. Algoritmer som RSA og elliptisk kurvekryptografi (ECC) har beskyttet vores data i årtier. Men med fremkomsten af kvantecomputere, der udnytter kvantemekanikkens love til at udføre beregninger på en helt ny måde, er denne sikkerhed i fare. En fuldt funktionsdygtig kvantecomputer vil, i teorien, kunne bryde disse algoritmer på kort tid. Selvom symmetrisk nøglekryptografi, som f.eks. AES, anses for at være kvantesikker, fordi den anvender den samme nøgle til kryptering og dekryptering, er den udbredte brug af asymmetrisk kryptering (offentlig nøglekryptografi) i dag et kritisk punkt, der kræver nye løsninger.

Shors algoritme

Shors algoritme, udviklet af matematikeren Peter Shor, er en kvantealgoritme, der er designet til effektivt at faktorisere store tal i primtal. Denne opgave er grundlaget for mange nuværende krypteringsmetoder. En kraftig kvantecomputer, der kører Shors algoritme, ville i teorien kunne bryde RSA-kryptering på timer, hvor det ville tage en traditionel supercomputer tusindvis af år. Denne trussel driver udviklingen af kvantekryptografi og post-kvantekryptografi. “Harvest Now, Decrypt Later”-angreb udgør en yderligere trussel: Krypteret data opsamles i dag for at blive dekrypteret i fremtiden, når kvantecomputere er tilgængelige.

Løsninger

For at imødegå kvantetruslen findes der primært to tilgange: Quantum Key Distribution (QKD) og post-kvantekryptografi (PQC). Disse metoder repræsenterer forskellige, men potentielt komplementære, veje til kvantesikkerhed. Kvantesikker betyder i denne sammenhæng, at metoden er modstandsdygtig over for angreb fra både klassiske computere og kvantecomputere.

Quantum Key Distribution (QKD)

QKD udnytter kvantemekanikkens love til at distribuere krypteringsnøgler på en sikker måde. Et centralt element er kvantesammenfiltring, hvor to partikler er forbundet på en sådan måde, at de deler skæbne, uanset afstanden. Måler man på den ene partikel, kender man øjeblikkeligt tilstanden af den anden. I QKD bruges dette til at sende information om krypteringsnøglen. Et eksempel på QKD i aktion er, at Alice og Bob kan bruge polariserede fotoner til at etablere en hemmelig nøgle. Hvis en tredje part, Eve, forsøger at aflytte, vil hun uundgåeligt forstyrre fotonerne, hvilket afsløres, når Alice og Bob sammenligner deres målinger. Denne egenskab gør, at QKD i teorien kan tilbyde ubrydelig sikkerhed, baseret på fysikkens love. I praksis er QKD dog begrænset af afstand og behov for specialiseret, kvantefølsom infrastruktur. Desuden kan QKD-systemer være sårbare over for sidekanalsangreb, hvor information lækkes gennem utilsigtede kanaler, f.eks. variationer i strømforbrug eller timing i de enheder, der bruges.

Post-kvantekryptografi (PQC)

PQC fokuserer på at udvikle nye kryptografiske algoritmer, der kan køre på traditionelle computere, men som er modstandsdygtige over for angreb fra både klassiske computere og kvantecomputere. Disse algoritmer er baseret på matematiske problemer, der menes at være svære, selv for kvantecomputere. Forskning og standardisering af PQC-algoritmer er i fuld gang, især hos NIST (National Institute of Standards and Technology). NIST har offentliggjort de første tre standarder for post-kvantekryptografi: FIPS 203 (baseret på ML-KEM), FIPS 204 (baseret på ML-DSA) og FIPS 205 (baseret på SLH-DSA). ML-KEM bruges til generel kryptering og er valgt på grund af sine små krypteringsnøgler og hurtige drift. ML-DSA og SLH-DSA bruges til digitale signaturer, hvor SLH-DSA fungerer som en backup, hvis ML-DSA skulle vise sig sårbar.

Forskellige PQC-metoder

Der findes flere lovende PQC-metoder, som hver især bygger på forskellige matematiske principper:

Gitterbaseret kryptografi

Denne metode bygger på kompleksiteten af matematiske gitterproblemer. Eksempler er “learning with errors” (LWE) og NTRU. NTRU er blevet studeret længe og anses for at have stærke sikkerhedsegenskaber.

Multivariat kryptografi

Disse systemer, som f.eks. Rainbow, baseres på, hvor svært det er at løse systemer af multivariat ligninger. Rainbow kan bruges til at skabe kvantesikre digitale signaturer.

Hash-baseret kryptografi

Systemer som Merkle-signaturskemaet, XMSS og SPHINCS er eksempler på denne metode. Hash-baserede signaturer har eksisteret siden 1970’erne og har fået fornyet interesse på grund af deres modstandsdygtighed over for kvantecomputere.

Kodebaseret kryptografi

Disse systemer, f.eks. McEliece og Niederreiter, benytter sig af fejlkodekorrigerende koder. Disse koder bruges til at rette fejl, der kan opstå under datatransmission, og kan også udnyttes til kryptering. McEliece-systemet har modstået angreb i over 40 år og anses for at være meget sikker.

Isogenibaseret kryptografi

Systemer som CSIDH er baseret på isogenigrafer af elliptiske kurver. En isogeni er en afbildning mellem elliptiske kurver, og isogenigrafer repræsenterer relationerne mellem forskellige kurver. Disse systemer kan være et kvantemodstandsdygtigt alternativ til Diffie-Hellman-nøgleudveksling. En mere detaljeret gennemgang af de forskellige metoder kan findes hos Wikipedia.

Hybridløsninger

Mange eksperter forudser, som nævnt i IEEE Spectrum, at en kombination af QKD og PQC, såkaldte hybridløsninger, kan være den mest robuste løsning i fremtiden. QKD tilbyder teoretisk sikkerhed, mens PQC tilbyder skalerbarhed og kan bruges på eksisterende infrastruktur.

Implementering

Overgangen til kvantesikker kryptografi er en stor opgave, der kræver samarbejde på tværs af landegrænser, forskningsinstitutioner, virksomheder og standardiseringsorganisationer.

EuroQCI

Inden for EU er der taget et stort skridt med EuroQCI-initiativet. Målet er at bygge en fælles kvantekommunikationsinfrastruktur i hele Europa. Denne infrastruktur vil bestå af både jordbaserede fiberoptiske netværk, der forbinder strategiske lokationer, og et rumbaseret segment med satellitter, der dækker hele EU og muliggør global kommunikation. EuroQCI skal beskytte følsom kommunikation og data samt kritisk infrastruktur som hospitaler og energinet. Alle 27 EU-medlemsstater er engagerede i projektet, og samarbejdet med Det Europæiske Rumagentur (ESA) er centralt for udviklingen af det rumbaserede segment. Målet er, at EuroQCI skal være fuldt operationelt i 2027.

Globale initiativer og pionerer

Ud over EU’s indsats er der også betydelige globale initiativer. Kina har, ifølge IEEE Spectrum, investeret massivt i QKD-forskning og -udvikling. Virksomheder som IBM og Microsoft er også aktivt involveret i udviklingen af kvantesikre løsninger. Akademiske institutioner, som KTH, spiller en vigtig rolle i forskningen. En central figur inden for kvantekryptografi er Artur Ekert, som beskrives hos Wikiwand. Ekerts arbejde med kvantesammenfiltring har været afgørende for udviklingen af QKD.

Udfordringer

Selvom kvantekryptografi lover meget, er der også udfordringer. QKD er begrænset af afstanden mellem parterne og kræver specialiseret infrastruktur, og som tidligere nævnt, er der sårbarhed overfor sidekanalsangreb. PQC er stadig under udvikling, og selvom algoritmerne menes at være sikre, kan der opdages nye sårbarheder i fremtiden. Derfor er løbende forskning og udvikling afgørende.

En sikker fremtid

Kvantekryptografi, både QKD og PQC, er afgørende for at sikre vores data i fremtiden, hvor kvantecomputere kan true den nuværende sikkerhed. Selvom der er udfordringer, er potentialet for datasikkerhed enormt. Det er vigtigt, at virksomheder, organisationer og myndigheder begynder at forberede sig på kvantealderen. Dette indebærer at forstå truslen, vurdere risici og implementere kvantesikre løsninger, samt at allokere ressourcer til forskning og udvikling. Ved at samarbejde kan vi sikre en digital fremtid, hvor vores data er beskyttet.