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
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
Tämän insinöörityön keskeinen tutkimuskysymys on, miten kvanttitietokoneiden kehitys vaikuttaa nykyisiin salausmenetelmiin ja millä tavoin post-kvanttinen kryptografia vastaa näihin uhkiin. Lisäksi työ tarkastelee post-kvanttisten ratkaisujen käyttöönottoon liittyviä teknisiä ja organisatorisia haasteita. Tutkimuskysymykseen vastaamiseksi työssä tarkastellaan kvanttilaskennan keskeisiä periaatteita, kuten superpositiota, lomittumista ja interferenssiä, jotka mahdollistavat laskentatehon, johon klassiset tietokoneet eivät kykene. Näiden ilmiöiden hyödyntäminen tekee kvanttitietokoneista erityisen tehokkaita ratkaisemaan matemaattisia ongelmia, jotka muodostavat nykyisten epäsymmetristen salausmenetelmien, kuten RSA:n ja ECC:n, turvallisuuden perustan. Työssä analysoitiin modernien salausalgoritmien toimintaa ja kvanttiuhkia, jotka kohdistuvat erityisesti julkisen avaimen menetelmiin. Symmetristen algoritmien, kuten AES:n, todettiin säilyttävän turvallisuutensa kvanttiuhkia vastaan avainpituuksia kasvattamalla, kun taas epäsymmetriset menetelmät ovat haavoittuvaisia Shorin algoritmille. Lisäksi työssä esiteltiin NIST:n standardoimat post-kvanttiset algoritmit, kuten Kyber ja Dilithium, sekä niiden keskeiset ominaisuudet ja käyttöönottoon liittyvät haasteet. Työn johtopäätökset osoittavat, että siirtyminen post-kvanttiseen kryptografiaan on välttämätöntä tulevien vuosien aikana. Kvanttiuhkien aikataulu on epävarma, ja erityisesti Harvest Now, Decrypt Later -skenaario korostaa tarvetta aloittaa valmistelut ajoissa. Työ tarjoaa kokonaiskuvan kvanttiajan tietoturvahaasteista ja toimii lähtökohtana organisaatioille, jotka suunnittelevat kvanttiturvallisten järjestelmien käyttöönottoa.
Kvanttilaskenta on kasvava tieteenala, joka sai alkunsa 1980-luvulla. Viime aikoina sekä uusien algoritmien että kvanttitietokoneen realisaatioiden kehitys on ollut nopeaa. Kiinnostusta alaan ylläpitää tieto siitä, että suurimittaiset kvanttitietokoneet pystyisivät ratkaisemaan tiettyjä laskennallisia ongelmia nopeammin kuin mitkään nykyperiaatteilla toimivat tietokoneet. Kvanttitietokoneessa informaatio on tallennettu kvanttirekisteriin, joka koostuu kvanttibitteistä eli kubiteista. Rekisterin tilaa voidaan kuvata tilavektorilla. Mahdollisia laskenta-operaatioita voidaan puolestaan kuvata tilavektorin kertomisella unitaarisilla matriiseilla. Viime vuosina on kehitetty menetelmiä, joilla monen kubitin operaatiot eli portit saadaan hajotettua mahdollisimman lyhyeksi sarjaksi realisaatioissa toteutettavissa olevia yhden ja kahden kubitin alkeisportteja. Tehokkaiden laskenta-algoritmien kehittäminen on olennaista tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hyödyntämisen kannalta. Tässä työssä on perehdytty erilaisiin mielivaltaisten monikubittiporttien hajotelmiin. Työssä esitellään muutamia uusia hajotelmia ja parannuksia entisiin. Lisäksi on tutkittu alkeisporttikirjaston kaksikubittiportin valintaa. Erityisesti on paneuduttu eri menetelmiin luokitella kaksikubittiportteja. Tähän liittyen työssä esitetään uusi, kaikki kaksikubittiportit kattava tehokkuusluokittelu.
Tässä kandidaatintutkielmassa tarkastelen post-kvanttikryptografiaan eli kvanttiturvalliseen kryptografiaan (PQC) siirtymistä tietoturvan ja tietosuojan näkökulmasta. Tutkielman tavoitteena on selvittää, mitä keskeisiä tietoturva- ja tietosuojahaasteita PQC-siirtymässä tunnistetaan, sekä millä teknisillä ja organisatorisilla keinoilla näihin haasteisiin voidaan vastata. Tutkielma toteutetaan kirjallisuuskatsauksena, jossa analysoidaan ajankohtaista tutkimuskirjallisuutta PQC-siirtymästä. Tarkastelu kohdistuu siirtymän keskeisiin haasteisiin, kuten standardoinnin keskeneräisyyteen, yhteensopivuusongelmiin, suorituskyky- ja skaalautuvuusvaatimuksiin, resurssirajoitteisiin laitteisiin sekä sivukanavahyökkäyksiin. Lisäksi tutkielmassa tarkastellaan erityisympäristöjä, kuten langattomia verkkoja sekä IoT- ja reunalaitteita. Tulosten perusteella PQC-siirtymän haasteet eivät liity ainoastaan yksittäisten algoritmien valintaan, vaan erityisesti niiden turvalliseen käyttöönottoon olemassa olevissa järjestelmissä ja organisaatioissa. Tietosuojan kannalta keskeiseksi nousee erityisesti pitkäaikaisesti luottamuksellisena säilytettävän tiedon suojaaminen sekä henkilötietojen käsittelyyn liittyvien riskien hallinta. Tutkielman perusteella PQC-siirtymän riskejä voidaan vähentää muun muassa kryptografisten resurssien kartoituksella, riskienarvioinnilla, hybridikryptografian hyödyntämisellä, vaiheittaisella käyttöönotolla, testauksella, auditoinnilla ja kryptografisten ratkaisujen elinkaaren hallinnalla. Kokonaisuutena PQC-siirtymä näyttäytyy sekä teknisenä että organisatorisena muutoksena, jonka onnistuminen edellyttää suunnitelmallista riskienhallintaa, sääntelyn huomioimista ja organisaatioiden pitkäjänteistä varautumista.
Tämän moduulin tavoitteena on kehittää toisen asteen opiskelijoiden tulevaisuusajattelun taitoja, mielikuvitusta ja yhteiskunnallista toimijuutta kvanttilaskennan ja tietotekniikan tulevaisuuden konteksteissa. Koko moduulin kesto on noin 20 opetustuntia, mutta se sisältää yksittäisiä aktiviteetteja, joita voidaan käyttää yksittäin tietokoneisiin, kvanttimekaniikkaan, systeemiajatteluun ja skenaarioiden kehittämiseen liittyvän opetuksen järjestämisessä. Opiskelijat oppivat tietotekniikan historiallisesta kehityksestä, sen yhteydestä yhteiskunnalliseen kehitykseen sekä teknologisen tulevaisuuden ennustamisen kompleksisuudesta. Opiskelemalla eri kantalukujärjestelmiä, loogisia operaatioita, algoritmeja ja tietokoneen komponentteja opiskelijat valmistautuvat siirtymään laskentaparadigmasta toiseen ja korvaamaan bitit kubiteilla, eli kvanttibiteillä. Kvanttiominaisuuksiin tutustuminen "spin first" -lähestymistapaa käyttäen tasoittaa tietä kvanttialgoritmien ymmärtämiselle ja kvanttitietokoneiden ylivoimaiseen laskentatehoon sekä niiden tarjoamiin tulevaisuuden mahdollisuuksiin perehtymiselle. Moduulin aikana opiskelijat työstävät valitsemastaan kompleksisesta ongelmasta omia "tulevaisuusprojektejaan". Ongelmanratkaisun tukena he pääsevät tekemään luovaan ajatteluun, ongelman määrittelemiseen ja kartoittamiseen, systeemiajatteluun ja skenaarioiden laatimiseen liittyviä tehtäviä. Lisäksi he käyttävät kolmea erilaista tulevaisuusajattelun tapaa skenaarioiden kehittämiseen. Moduulin lopuksi opiskelijat esittelevät projektinsa – eli tietotekniikkaan pohjautuvan ratkaisunsa johonkin yhteiskunnalliseen ongelmaan – käyttämällä tehokasta "backcasting"-menetelmää.
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.
Kvanttiteknologian kehitys sisältää merkittävän uhkaskenaarion nimeltä Y2Q. Arvioiden mukaan nykyiset, laajasti käytetyt epäsymmetriset salausmenetelmät kokevat murroksen jopa seuraavan kymmenen vuoden aikana, kun kvanttitietokoneiden laskentatehon ennustetaan kasvavan tasolle, jolla Shorin algoritmi voi ratkaista diskreetin logaritmin ongelman polynomisessa ajassa. Tämä käytännössä murtaa epäsymmetrisen salauksen pitävyyden. Ennuste koskee myös sähköisiä allekirjoituksia, joiden tapauksessa pahantahtoinen taho voisi halutessaan väärentää allekirjoituksia mielivaltaisiin dokumentteihin, ohjelmistoihin tai yhteyksiin. Tämän pohjalta mihinkään TLS-yhteyteen tai ohjelmistojakeluun ei voisi luottaa. Kvanttilaskennan edistysaskeleet korostavat kvanttiturvallisen salauksen merkitystä. Vaihtoehtoisia keinoja salata ja allekirjoittaa dataa on jo olemassa sekä uusia on jatkuvasti kehitteillä. Tämä tutkielma keskittyy toteuttamaan allekirjoitusmoduulin, joka sisältää niin perinteisiä kuin kvanttiturvallisia allekirjoitusalgoritmeja. Moduulin ideana on luoda mahdollisuus kvanttiturvallisten menetelmien harjoitteluun jo ennen Y2Q:ta. Toteutetuista menetelmistä suoritetaan vertailuanalyysi algoritmien samankaltaisuuksien sekä erilaisuuksien toteamiseksi. Tutkielman tuloksena on allekirjoitusmoduuli, joka toteuttaa allekirjoitukselle olennaiset menetelmät kolmelle perinteiselle (RSA-PSS, ECDSA, Ed25519) ja kolmelle kvanttiturvalliselle (Dilithium, Falcon, SPHINCS+) algoritmille. Moduuli on toteutettu C-kielellä hyödyntäen OpenSSL:n ja Open Quantum Safen algoritmikirjastoja. Vertailuanalyysin pohjalta Dilithium todettiin yleisesti allekirjoitus- ja verifiointitulosten pohjalta tehokkaimmaksi, vaikkakin ECDSA suoriutui avainten luonnissa tehokkaimmin.