Kvanttiturvallisen kryptografian käyttöönoton haasteet: tietosuojan ja tietoturvan näkökulmasta

Lauri Niemelä

Published Jan 1, 2026• 0 citations

Abstract

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.

Related papers

Kvanttitietokoneiden vaikutus moderneihin salausmenetelmiin

Nettanora Nurmi

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.

Jan 1, 20260 citations

Siirtyminen kvanttitietokoneiden aikakauteen organisaatioissa

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

Jan 1, 20240 citations

Kvanttisalaus : Turvaprotokollat ja käytännön sovellukset

Taisto Tammilehto

Tämän kandidaattitutkielman tavoitteena on antaa yleiskatsaus kvanttisalauksesta. Tutkielmasta tekee merkittävän suomenkielisen kirjallisuuden puute kvanttimekaniikan sovelluksista, kvanttilaskennasta ja etenkin kvanttisalauksesta. Kvanttilaskennan yleistyessä klassiset salausmenetelmät joutuvat kohtaamaan uudenlaisia hyökkäysriskejä. Tutkielma osoittaa lukijalle miksi klassiset kryptografiset menetelmät eivät ole tehokkaita kvanttilaskennallisia menetelmiä vastaan. Tutkielmassa korostuu kvanttisalauksen tärkeys yhteiskunnassa tulevaisuuden tietoturvan takaamiseksi. Tämä kirjallisuuskatsaus tutkii kvanttisalausta yleisestä näkökulmasta ja pyrkii antamaan lukijalle kattavan kuvauksen kvanttisalauksesta syventymättä aiheen matemaattiseen perustaan. Kvanttisalaus on kansainvälisesti laajasti tutkittu aihe, josta on olemassa runsas englanninkielinen kirjallisuus. Tässä tutkielmassa kootaan yhteen kvanttisalausta käsittelevää kirjallisuutta ja vertaillaan kahta eri turvaprotokollaa. Tutkielmassa osoitetaan, kuinka kvanttimekaniikka on kytköksissä kvanttilaskentaan ja kvanttisalaukseen. Kvanttisalaukseen syvennytään tarkastelemalla kvanttikanavien toteutusta kvanttisalausjärjestelmässä. Turvaprotokollia vertaillaan keskenään ja lopuksi tarkastellaan BB84-turvaprotokollan implementointia kvanttisalausjärjestelmässä. Kvanttisalauksen toteutusta tutkimalla tämä kirjallisuuskatsaus antaa selkeän kuvan kvantti-salausjärjestelmistä ja niiden käytännön sovelluksista. Kvanttilaskentaa on tutkittu pitkään ja useat läpimurrot kuten Shorin ja Groverin algoritmit julkaistiin jo 1900-luvun loppupuolella. Kirjallisuuskatsauksessa tutkitaan tämän vuoksi niin vanhoja kuin uusiakin julkaisuja. Tutkielman tulokset osoittavat kvanttisalauksen olevan lupaava teknologia, joka voi mullistaa kryptografian alan tulevaisuudessa. Kvanttitietokoneiden mahdollinen vaikutus nykyiseen kryptografiseen infrastruktuuriin on vakava huolenaihe, joka ansaitsee laajaa huomiota. Viimeaikaiset hyökkäykset kuten psykoterapiakeskus Vastaamoon ja Helsingin kaupunkiin kohdistuneet tietomurrot osoittavat, että vihamielisistä tekijöistä ei ole puutetta. Tutkielman tulokset ilmaisevat tarvetta luoda selkeä suunnitelma nykyisen yhteiskunnan tietoturvajärjestelmien vahvistamiseksi kvanttilaskennan mahdollistamia hyökkäyksiä vastaan

Jan 1, 20240 citations

Kvanttilaskennan vaikutus nykyisiin ja tuleviin salausmenetelmiin

Ada Rönn

Kvanttilaskennan kehittyminen haastaa merkittävästi nykyisiä salausmenetelmiä. Nykyisten menetelmien turvallisuus perustuu matemaattisiin ongelmiin, jotka ovat perinteisillä tietokoneilla erittäin vaikeita ratkaista. Erityisen haavoittuvia ovat julkisen avaimen salausmenetelmät, kuten RSA ja elliptisiin käyriin perustuva salaus. Näiden turvallisuus heikkenee merkittävästi, mikäli tehokkaat kvanttialgoritmit toteutuvat laajamittaisilla ja virheenkorjatuilla kvanttijärjestelmillä. Tämän kandidaatintutkielman tavoitteena on tarkastella kvanttilaskennan vaikutuksia klassisiin salausmenetelmiin sekä analysoida, millaisia kvanttiturvallisia ratkaisuja tutkimuskirjallisuus esittää. Tutkimus toteutettiin systemaattisesti tehtynä kirjallisuuskatsauksena, jota ohjasi temaattinen analyysi. Aineisto jäsennettiin kolmen keskeisen teeman mukaisesti: kvanttilaskennan aiheuttamat kryptografiset uhat, kvanttiturvallisten salausratkaisujen kehitys sekä soveltavat ympäristöt kuten IoT-laitteet ja kriittiset infrastruktuurit. Tulokset osoittavat, että epäsymmetriset salausmenetelmät ovat erityisen alttiita kvanttiuhille. Symmetrinen salaus voidaan sen sijaan säilyttää turvallisena kasvattamalla avainpituuksia. Ristikkorakenteisiin perustuvat algoritmit, kuten Kyber ja Dilithium, nousevat keskeisiksi kvanttiturvallisiksi vaihtoehdoiksi. Kvanttiavainten jako tarjoaa fyysisesti suojatun viestintätavan, mutta sen sovellettavuus on toistaiseksi rajattua. Pitkän elinkaaren järjestelmät, kuten teolliset verkot ja sulautetut laitteet, ovat erityisen haavoittuvia niin kutsutuille tallenna nyt, pura myöhemmin -hyökkäyksille. Kokonaisuutena tutkielma osoittaa, että kvanttilaskenta muuttaa kryptografian turvallisuusolettamuksia ja korostaa ennakoivan riskienhallinnan merkitystä tulevaisuuden tietoturvassa.

Jan 1, 20260 citations

Järjestelmäpiirit, kvanttitietokoneet sekä näiden synteesi

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.

Jan 1, 20240 citations

Tietoturva ja kvanttiturvalliset toteutukset ajoneuvoissa

Oiva Kupila

Kvanttilaskennan yleistyminen tuo ongelmia ajoneuvojen tietoturvallisuuteen, sillä kvanttilaskennalla on mahdollista murtaa ajoneuvojen nykyisin käyttämät salausprotokollat. Kvanttilaskentaa ei toistaiseksi ole tarjolla kaupallisilla markkinoilla, mutta kiihtyvän kehityksen takia on vain ajan kysymys milloin kvanttilaskentaa voidaan myydä kuluttajille ja alkaa hyödyntäämään myös laittomiin aikeisiin. Tutkielmassa käsitellään millaista vaaraa kvanttilaskennan yleistymisestä syntyy erilaisille ajoneuvoille ja mikä olisi toimiva keino paikata kvanttilaskennan tuomia tietoturva-aukkoja käyttäen kvanttiturvallisia protokollia. Tutkielmassa pohditaan myös kuinka ajoneuvovalmistajat ovat varautuneet kvanttilaskennan tuomiin uhkiin ja kuinka valmiita ne ovat siirtymään käyttämään kvanttiturvallisia menetelmiä. Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Tulokset näyttävät, että kvanttilaskennan yleistyminen vaarantaa koko tietyn ikäisen ajoneuvokannan. Kävi myös ilmi, että hilarakenteiseen kryptografiaan pohjautuvat ratkaisut ovat suosituimpia kehitteillä olevia salausprotokollia ja ajoneuvoteollisuus on valmis siirtymään kvanttiturvallisiin protokolliin standradoinnin valmistuessa.

Sep 14, 20260 citations