ВІД СУБСТАНЦІЇ ДО ЙМОВІРНОСТІ: ОНТОЛОГІЧНА КРИЗА КЛАСИЧНОГО ВСЕСВІТУ В ЕПОХУ КВАНТОВОЇ ФІЗИКИ Постановка проблеми.Сучасна фізична наука перебуває у стані глибокої концептуальної трансформації.Класична парадигма, що базувалася на понятті субстанції як об'єктивної матерії, що рухається за детерміністичними законами, зіткнулася з непереборними протиріччями на мікрорівні.Проблема переходу від визначеності до імовірності є не лише теоретичним викликом для фундаментальної фізики, а й має критичне значення для практичного розвитку квантових технологій, сенсорики та обчислювальних систем.Розуміння онтологічного статусу об'єктів у стані суперпозиції є необхідною умовою для подолання кризи у побудові єдиної теорії поля.Протягом тривалого часу в межах наукової думки визначну роль відігравала концепція об'єктивної інваріантності, згідно якою фізичні характеристики реальності не залежить від акту їхнього сприйняття суб'єктом пізнання.Однак розвиток квантової механіки докорінно змінив цю парадигму оголосивши суперечність між повсякденним досвідом людини та справжньою природою фізичних процесів.Сьогодні постає проблема у переосмисленні природи буття спираючись на актуальні наукові теорії.Розробка квантових комп'ютерів та квантового Інтернету також залежить від нашої здатності маніпулювати станами, які не мають класичних аналогів.Розуміння природи «імовірнісної реальності» є критичним для боротьби з декогеренцією -процесом, який руйнує квантові стани при контакті з макросвітом.Нова парадигма «реальності як інформація» веде до створення абсолютно захищених каналів зв'язку, де закони природи (а не математичні алгоритми) гарантують таємність даних.Отже, дослідження переходу від субстанційного до імовірнісного бачення світу є центральним завданням сучасної епістемології та фізики.
ВІД СУБСТАНЦІЇ ДО ЙМОВІРНОСТІ: ОНТОЛОГІЧНА КРИЗА КЛАСИЧНОГО ВСЕСВІТУ В ЕПОХУ КВАНТОВОЇ ФІЗИКИ Постановка проблеми.Сучасна фізична наука перебуває у стані глибокої концептуальної трансформації.Класична парадигма, що базувалася на понятті субстанції як об'єктивної матерії, що рухається за детерміністичними законами, зіткнулася з непереборними протиріччями на мікрорівні.Проблема переходу від визначеності до імовірності є не лише теоретичним викликом для фундаментальної фізики, а й має критичне значення для практичного розвитку квантових технологій, сенсорики та обчислювальних систем.Розуміння онтологічного статусу об'єктів у стані суперпозиції є необхідною умовою для подолання кризи у побудові єдиної теорії поля.Протягом тривалого часу в межах наукової думки визначну роль відігравала концепція об'єктивної інваріантності, згідно якою фізичні характеристики реальності не залежить від акту їхнього сприйняття суб'єктом пізнання.Однак розвиток квантової механіки докорінно змінив цю парадигму оголосивши суперечність між повсякденним досвідом людини та справжньою природою фізичних процесів.Сьогодні постає проблема у переосмисленні природи буття спираючись на актуальні наукові теорії.Розробка квантових комп'ютерів та квантового Інтернету також залежить від нашої здатності маніпулювати станами, які не мають класичних аналогів.Розуміння природи «імовірнісної реальності» є критичним для боротьби з декогеренцією -процесом, який руйнує квантові стани при контакті з макросвітом.Нова парадигма «реальності як інформація» веде до створення абсолютно захищених каналів зв'язку, де закони природи (а не математичні алгоритми) гарантують таємність даних.Отже, дослідження переходу від субстанційного до імовірнісного бачення світу є центральним завданням сучасної епістемології та фізики.
У сучасному світі, де квантові технології швидко розвиваються, традиційні криптографічні системи стикаються з серйозними викликами.Квантові обчислення здатні порушити основи сучасних криптографічних протоколів, таких як RSA і ECC, шляхом застосування алгоритмів, які можуть зламати ці системи за рекордно короткий час.Ця стаття присвячена аналізу впливу квантових технологій на криптографію, а також необхідності створення нових рішень для захисту інформації.Метою даного наукового дослідження є оцінка сучасного стану постквантової криптографії та виявлення нових підходів, які можуть забезпечити надійний захист інформації в умовах квантового прогресу.У роботі розглядаються такі напрямки, як криптографія на основі решіток, кодова криптографія, мультиваріантна криптографія та криптографія на основі хеш-функцій.Наукова і практична значущість цієї роботи полягає в тому, що вона допомагає зрозуміти виклики, які постають перед сучасною криптографією в умовах квантових обчислень, і пропонує можливі рішення для їх подолання.Методологія дослідження включає огляд літератури, аналіз існуючих криптографічних систем, а також оцінку їх стійкості до квантових атак.Основні результати роботи показують, що підходи на основі решіток та кодів мають високу стійкість до квантових атак і можуть бути використані для розробки нових криптографічних протоколів.Також було виявлено, що мультиваріантна криптографія, хоча і показує обіцяючи результати, потребує подальших досліджень для оптимізації продуктивності.Висновки дослідження підкреслюють важливість комплексного підходу до безпеки інформації в умовах квантового прогресу.Цінність проведеного дослідження полягає в його внеску у розвиток постквантової криптографії, оскільки воно не тільки визначає актуальні виклики, але й пропонує нові напрямки для майбутніх досліджень.Практичне значення підсумків роботи полягає в тому, що результати можуть бути використані для розробки безпечних інформаційних систем у контексті квантових загроз.Ключові слова: постквантова криптографія, інформаційна безпека, криптографія на основі решіток, кодова криптографія, мультиваріантна криптографія, квантові комп'ютери, криптографічні протоколи.Вступ.З розвитком квантових обчислень криптографія, яка є основою сучасної інформаційної безпеки, стикається з новими викликами.Сучасні криптографічні алгоритми, такі як RSA, DSA та алгоритми на основі еліптичних кривих, широко використовуються для захисту конфіденційних даних, онлайн-транзакцій та комунікацій в інтернеті.Вони забезпечують надійну безпеку завдяки складності факторизації великих чисел або вирішення дискретних логарифмів, що є обчислювально непосильними для класичних комп'ютерів.Проте з розвитком квантових обчислень постала загроза традиційним криптографічним методам, які вже кілька десятиліть використовуються для забезпечення інформаційної безпеки.Квантові комп'ютери використовують принципи квантової механіки, зокрема квантову суперпозицію та квантову заплутаність, завдяки яким вони можуть одночасно обробляти багато варіантів рішення задачі, що робить їх набагато швидшими для певних обчислювальних завдань, як, наприклад, факторизація великих чисел або пошук у великій базі даних.Потужність квантових комп'ютерів дозволяє зламати багато з існуючих криптосистем за допомогою алгоритмів Шора [1] та Гровера [2], що ставить
У роботі наведено огляд та аналіз поточного стану стандартизації посткватової криптографії.Розвиток квантових комп'ютерів загрожує безпеці криптографічних алгоритмів, які застосовуються сьогодні.Щоб протистояти цій загрозі, була започаткована область постквантової криптографії.Але розгортання нових криптографічних систем потребує багато часу та зусиль.Таким чином, політики та власники систем повинні підготуватися.Наразі органи стандартизації продовжують стандартизувати протоколи, створені з використанням доквантових систем, які не витримають квантових атак.До таких протоколів доцільно застосовувати концепції гібридних систем (подвійне шифрування, подвійний KEM, подвійні підписи тощо).Однак цього немає в поточному плані.Тому рекомендується враховувати постквантову інтеграцію при розробці нових стандартів або оновленні існуючих.Ключові слова: постквантова криптографія; цифровий підпис; механізм встановлення ключа (KEM), квантовобезпечний Вступ.Криптографія є вирішальним інструментом для безпеки сучасного цифрового суспільства і використовується практично всюди.Розвиток квантових комп'ютерів загрожує безпеці криптографічних алгоритмів, які застосовуються сьогодні.Щоб протистояти цій загрозі, була започаткована область постквантової криптографії.Постквантова криптографія -це область криптографії, в якій системи вивчаються за припущення безпеки, що криптоаналітик має квантовий комп'ютер, тоді як користувач має бути звичайним користувачем сучасних систем без квантових можливостей.На даний момент існуючі квантові комп'ютери недостатньо великі, щоб становити загрозу сучасній криптографії.Однак розгортання нових криптографічних систем забирає багато часу та зусиль, і тому важливо мати заміни ще до того, як з'являться великі потужні квантові комп'ютери.Але як показує практика, просто взяти і замінити існуючі стандарти та протоколи на постквантові не так легко і є багато складнощів: необхідно визначити нові моделі безпеки, розробити нові методи доказів, тощо. Родини постквантових алгоритмівНаразі у світі триває кілька великих конкурсних процесів задля знаходження ефективних постквантових алгоритмів шифрування та підписів, основним з яких УДК 004.056.55
У статті здійснено комплексний огляд сучасного стану постквантової криптографії (PQC) та проаналізовано стратегічну необхідність міграції цифрової інфраструктури до нових криптографічних стандартів.Актуальність дослідження зумовлена загрозою, яку становлять потужні універсальні квантові комп'ютери, здатні ефективно реалізувати Алгоритм Шора для розв'язання математичних задач, на яких ґрунтується безпека домінуючих сьогодні алгоритмів з відкритим ключем (RSA, ECDSA).Особливо підкреслено концепцію «загрози зберігання» (SNDL), згідно з якою перехоплені сьогодні зашифровані дані можуть бути скомпрометовані у майбутньому.Проаналізовано основні напрямки PQC, включаючи криптографію на решітках (Lattice-based), кодових словах, хеш-функціях та багаточленах.Центральним елементом роботи є детальний аналіз та оцінка результатів процесу стандартизації NIST (США).У липні 2022 року NIST обрав перші стандарти, які стали основою для глобальної міграції: CRYSTALS-Kyber для ключового обміну (KEM) та CRYSTALS-Dilithium, FALCON, SPHINCS+ для цифрових підписів.Представлено порівняльну таблицю цих стандартизованих алгоритмів, що наочно демонструє критичні компроміси між продуктивністю (швидкість CPU-циклів), розмірами даних (ключі та підписи) та ступенем консервативності безпеки.Обговорено, як вибір конкретного алгоритму залежить від вимог цільової системи (висока пропускна здатність vs. обмежені ресурси чи довгострокова безпека).Виділено ключові інженерні та наукові проблеми, що залишаються невирішеними, зокрема, необхідність подальшого криптоаналізу нових математичних структур, забезпечення захисту від побічних каналів атак та розробка ефективних гібридних схем (поєднання класичних та PQC-алгоритмів) для плавного переходу.
Феномен утворення значної кількості інноваційно-технологічних задумів є суттєвою ознакою нашого сьогодення. Новітні ідеї перестають бути винятково прерогативою фізики й проникають у такі галузі знань, як інформатика, хімія, біологія, соціологія, екологія, агрономія, медицина або освіта. Серед цих новацій чи не найістотніша місія відводиться квантовим технологіям, за принципами яких проходять трансформаційні зрушення в класичних поглядах на функціонування явищ, процесів чи окремих об’єктів. У такий спосіб положення квантової теорії переходять у наш час зі статусу чогось фантастичного, дивного й загадкового у стан такого, що є доречним і конче необхідним. Безпосередня сутність квантової теорії базується на понятті «квант», такої первісно-базової енергетичної частки, яка завжди випромінюється не в форматі постійно функціонуючих хвиль, а в режимі формування й генерування окремих дискретних пакетів, пучків або ж порцій. Тож усвідомлення квантів і розроблення квантової теорії сприяло відкриттю нелінійної природи взаємодії й обміну енергією між окремими предметами різного походження, що передбачає як квантове випромінювання, так і квантове сприйняття. Отже, перевага квантових систем виявляється в тому, що означені функціонали допомагають виявити ті «проблемні вузли», розв’язання яких має: 1) реформувати систему в стислі терміни; 2) значно зменшити витрати коштів і часу на модернізацію системних компонент; 3) виявити слабкі ланки в побудові системоутворюючих зв’язків і відношень; 4) завбачити заміну (трансформацію) окремих елементів, частин або модулів; 5) ініціативно використовувати сучасні знання й досвід із різних галузей наукових досліджень. У наш час сучасна освіта не повинна локалізуватися в рамках однієї галузі знань, а дослідження, що пов’язані з модернізацією системи освіти або її окремих компонентів (методів, технологій, засобів навчання), мають проходити на трансдисціплінарному вузловому перетині кількох наукових течій, які здатні підказати найбільш ефективне рішення в нелінійній картині усвідомлення світу та у взаємовідносинах представників національного соціуму.
У роботі запропоновано узагальнення булевих операцій для квантових обчислень.Показано, що базовий набір булевих однокубітних операцій містить 6 операцій та має 2 варіанти наборів по 4 операції.Запропоновано 9 квантових операцій додатково до 7-ми класичних (еквіваленція, диз'юнкція, кон'юнкція, імплікація, заперечення диз'юнкції, заперечення кон'юнкції, виключна диз'юнкція).В результаті отримано повний набір 16 однокубітних операцій, які забезпечують 16 4 = 65 тисяч 536 бінарних (двокубітних) логічних операцій, що відповідає кількості базових станів 16-кубітного квантового процесора.Велика кількість операцій дозволить підвищити продуктивність квантових обчислень в цифрових симуляторах квантових процесорів з точки зору паралельності обчислень та скорочення програмного коду.Ключові слова: квантові обчислення, логічні операції, булева алгебра Вступ.На сьогодні у галузі зв'язку та високопродуктивних обчислень активними темпами розробляють та активно впроваджують квантові технології.Багато дослідників вважають, що у найближчому майбутньому квантові технології забезпечать ключові досягнення у багатьох сферах діяльності людини, які потребують надшвидке вирішення обчислювальних задач великої складності, зокрема в криптографії та моделюванні надскладних процесів [1].Перспективи в галузі високопродуктивних обчислень ґрунтуються на застосуванні квантових комп'ютерів, які використовують заплутані (зчеплені) квантові стани.При цьому стани включають як чисті стани окремих кубітів, так і змішані стани, які є результатом взаємодії (інтерференції) декількох кубітів.Всього кількість таких, так званих базових, станів становить 2 N , де N -кількість кубітів.Тобто для 8-кубітного квантового процессора кількість станів рівна 2 8 =256, а для 16-кубітного -вже 2 16 =65 536 станів [2].З точки зору теорії обчислень, кожний стан -це сигнал (число), записаний у певному розряді вихідного квантового регістру, що має 2 N розрядів.На кожному такті роботи процесора кожний сигнал -це результат виконання певної логічної операції.На сьогодні в класичній теорії обчислень відомо 8 операцій, з яких одна унарна -заперечення та 7 бінарних -еквіваленція, диз'юнкція (АБО), кон'юнкція (І), імплікація, заперечення диз'юнкції (НЕАБО), заперечення кон'юнкції (НЕІ), виключна диз'юнкція (виключне АБО, сума по модулю 2, ).
У роботі розглянуто сучасний стан гібридних квантово-класичних систем штучного інтелекту. Водночас сучасні квантові пристрої класу NISQ мають низку обмежень: шум квантових операцій, обмежену кількість кубітів, малу глибину квантових схем, відсутність повної корекції помилок і складність завантаження класичних даних у квантове представлення. Обґрунтовано, що за таких умов квантовий компонент доцільно розглядати не як повну заміну класичної моделі, а як спеціалізований елемент гібридної системи. Розглянуто основні методи гібридного квантово-класичного підходу, зокрема варіаційні квантові алгоритми, кодування даних, класичну оптимізацію та повторне завантаження даних. Окрему увагу приділено потенційному інструментарію для реалізації таких систем, зокрема Qiskit, PennyLane, Cirq, scikit-learn і MLflow.