Kvanttitietokoneiden teknologia kehittyy nopeasti, lähentäen päivää, jolloin niitä pystytään hyödyntämään käytännössä. Tällöin, laskennassa käytetty salainen informaatio pystyttävä suojaamaan. Tässä työssä kartoitetaan kvanttilaskennan turvallisuusongelmia ja suojakeinoja semi-systemaattisen kirjallisuuskatsauksen avulla. Työssä havaittiin, että nykyisissä ja suunnitelluissa käyttömalleissa löytyvien tietoturva-aukkojen takia pilvipalvelut, sekä niiden muut käyttäjät muodostavat merkittävän turvallisuusuhan. Lisäksi, löydettyjen uhkien torjuntakeinojen kehitys on vasta aluillaan. Havainnot osoittavat, että kvanttilaskennan turvaaminen vaatii vielä suuria ponnistuksia.
Kvanttitietokoneiden teknologia kehittyy nopeasti, lähentäen päivää, jolloin niitä pystytään hyödyntämään käytännössä. Tällöin, laskennassa käytetty salainen informaatio pystyttävä suojaamaan. Tässä työssä kartoitetaan kvanttilaskennan turvallisuusongelmia ja suojakeinoja semi-systemaattisen kirjallisuuskatsauksen avulla. Työssä havaittiin, että nykyisissä ja suunnitelluissa käyttömalleissa löytyvien tietoturva-aukkojen takia pilvipalvelut, sekä niiden muut käyttäjät muodostavat merkittävän turvallisuusuhan. Lisäksi, löydettyjen uhkien torjuntakeinojen kehitys on vasta aluillaan. Havainnot osoittavat, että kvanttilaskennan turvaaminen vaatii vielä suuria ponnistuksia.
NISQ-aikakauden kvanttitietokoneet kohtaavat edelleen useita rajoituksia, kuten rajallisen kubittimäärän, kohinan, lyhyen koherenssiajan sekä rajoittuneen laitteistokytkeytyvyyden. Näiden rajoitusten vuoksi suurten kvanttipiirien suorittaminen nykyisellä kvanttilaitteistolla on edelleen vaikeaa. Skaalautuvuuden parantamiseksi tutkijat ovat kehittäneet circuit knitting-, circuit partitioning- ja hajautetun kvanttilaskennan menetelmiä. Tämä tutkielma esittää luokitteluun perustuvan kirjallisuuskatsauksen näistä tutkimusalueista. Työssä tarkastellaan keskeisiä haasteita, kuten näytteenottoylikuormaa, rekonstruktiokustannuksia, viestinnän monimutkaisuutta sekä laitteistotietoista suorittamista. Lisäksi tutkielmassa käsitellään viimeaikaisia kehityssuuntia adaptiivisissa, automatisoiduissa ja hybridisissä kvantti- ja klassisissa järjestelmissä. Tulokset osoittavat, että näytteenottoylikuorma ja lomittumisen jakaminen ovat edelleen merkittäviä haasteita skaalautuville kvanttijärjestelmille.
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.
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.
Tämä kanditutkielma tarkastelee kvanttiohjelmistojen testauksen kustannustehokkuutta. Työssä vertaillaan simulaatioympäristöä todelliseen kvanttilaitteistoon. Tutkimuksen pääkysymys on, kuinka tehokkaita kvanttiohjelmistosimulaatiot ovat verrattuna kvanttilaitteistoon. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa on analysoitu alan ajankohtaisia tutkimuksia, kustannusmalleja ja teknisiä rajoitteita. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että simulaatiot ovat tällä hetkellä saavutettavampia ja kustannustehokkaampia erityisesti kehityksen alkuvaiheessa. Kvanttilaitteistot kuitenkin tarjoavat realistisemman testausympäristön, mutta niiden käyttö on kallista ja teknisesti rajattua. Analyysin perusteella hybridimalli, jossa simulaatiota käytetään prototyyppien kehitykseen ja laitteistoa lopulliseen validointiin, on käytännöllisin lähestymistapa. Tutkimus korostaa tarvetta kehittää yhtenäisiä kustannusmalleja, skaalautuvia simulaatioarkitehtuureja ja tasa-arvoisia pääsymalleja kvanttilaitteistojen testaukseen. Näiden haasteiden ratkaiseminen on keskeistä kvanttiohjelmistotekniikan kestävälle ja tehokkaalle kehitykselle.
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.