Kvanttitietokoneet ja kvanttikryptografia

Camilla Hollanti, Roope Vehkalahti

Olli Vanhanen

Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta Joulukuu 2024 Kvanttitietokoneet ovat siirtymässä teoriasta käytäntöön.Kvanttitietokoneiden mukana tuleva laskentateho on kuitenkin riittävän voimakas murtamaan nykyisin käytössä olevat kryptografiset salausalgoritmit.Tarve kehittää ja standardisoida uudenlaiset kvanttitietokoneen kestävät salausalgoritmit tietotekniikan alalle, on merkittävä.Näiden uusien kvanttiturvallisten salausalgoritmien laajamittainen käyttöönotto eri tahoilla ja eri käyttötarkoituksiin on myös välttämätöntä.Organisaatioille uusiin kvanttikestäviin salausalgoritmeihin siirtyminen tulee vaatimaan merkittäviä resursseja, ja keskeistä on, miten kvanttiturvallinen siirtymä voidaan toteuttaa mahdollisimman tehokkaasti.Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tuoda esiin kvanttitietokoneiden aiheuttama tietoturvauhka ja tarkastella tarvittavia ratkaisuja sekä niiden käyttöönottoa organisaatioissa.Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena ja aiheen uutuuden myötä lähdeaineistona on käytetty mahdollisimman tuoreita julkaisuja.Työssä tarkastellaan kvanttiturvallisten salausalgoritmien ominaisuuksia ja haasteita niiden käyttöönotossa olemassa olevissa tietoturvajärjestelmissä.Lisäksi työssä käsitellään erilaisia siirtymästrategioita, joilla organisaatiot voivat sujuvasti päivittää tietoturvajärjestelmänsä kestämään kvanttitietokoneet.Työssä tutkitaan myös erilaisten valtiollisten tahojen käynnistämää kvanttiturvallisten algoritmien standardisointiprosessia, sen etenemistä sekä tuloksia.Erityisesti tarkastellaan NIST:in (National Institute of Standards and Technology) johtamaa kansainvälistä standardointiprosessia, joka pyrkii tunnistamaan ja validoimaan turvallisimmat ja tehokkaimmat kvanttiturvalliset salausalgoritmit.Prosessi sisältää algoritmien monivaiheiset arviointikierrokset, joissa testataan niiden kestävyyttä, suorituskykyä ja skaalautuvuutta erilaisissa tietoturvaympäristöissä.Työssä pohditaan myös kvanttiturvalliseen siirtymään liittyviä teknisiä ja organisatorisia haasteita, kuten uusien algoritmien yhteensopivuutta olemassa olevien järjestelmien kanssa, sekä niiden käyttöönoton aiheuttamia taloudellisia ja resurssivaatimuksia organisaatioille.Työssä tutkitaan myös keinoja varautua jatkuvasti kehittyvään tietoturvaympäristöön ja tarkastellaan menetelmiä, joiden avulla organisaatiot voivat ketterästi päivittää käyttämiään salausalgoritmeja uusien haavoittuvuuksien ilmetessä.Erityishuomiota kiinnitetään

Joonatan Alanampa

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan järjestelmäpiirejä (engl. System-on-Chip, SoC), kvanttitietokoneita sekä järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesiä. Erityisesti käydään läpi järjestelmäpiirien sekä kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita ja miten nämä eroavat toisistaan. Lisäksi tutkitaan kvanttitietokoneiden etuja sekä mihin kvanttitietokoneiden ja järjestelmäpiirien synteesiä tarvitaan. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Järjestelmäpiirit ovat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista koostuvia kokonaisuuksia. Niiden tärkeimpiin laitteistokomponentteihin kuuluvat erilaiset prosessorit sekä muistit. Näiden komponenttien toiminta perustuu bittien käsittelyyn. Yksi tärkeimmistä ohjelmistokomponenteista on käyttöjärjestelmä, joka tehostaa laitteistokomponenttien toimintaa. Käyttöjärjestelmä tarjoaa myös rajapinnan ihmisen ja tietokoneen väliseen vuorovaikutukseen. Tämä mahdollistaa ihmisen antamaan käskyjä tietokoneelle erilaisten ohjelmointikielten avulla. Kvanttitietokoneiden prosessorit käyttävät bittien sijaan kubitteja. Kubittien ansiosta erityisissä tilanteissa kvanttitietokoneet ovat äärimmäisen tehokkaita ja ylittävät perinteisten vastineidensa laskentakyvyn merkittävästi. Tämä ero tuo mukanaan reaalimaailman sovelluksia. Kryptografiana tunnettu ala tuleekin kokemaan täyden uudistuksen kvanttitietokoneissa käytettävän Shorin algoritmin myötä. Käytännön toteutuksessa kvanttitietokone vaatii kvanttiprosessorin lisäksi kubittien kryogeenisen kontrollijärjestelmän sekä mittaus- ja virheenkorjausjärjestelmät. Kvanttitietokoneita on jo olemassa, mutta ne eivät ole nykyisellään vielä yleiseen käyttöön soveltuvia. Ne ovat nykyisessä tilassaan liian suuria fyysiseltä kooltaan sekä käytännössä kömpelöitä. Järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesi tarjoaa mahdollisuuden pienentää kvanttitietokoneiden kokoa huomattavasti, kun itse kvanttiprosessori ja muut tarvittavat tukijärjestelmät voidaan integroida yhdelle piirille eli järjestelmäpiirille. Tämän synteesin avulla on myös mahdollista säästää kryogeenisten jäähdytysjärjestelmien energiakustannuksissa.

Camilla Sløk

Aitzol Lasa Oiarbide