Current directions of development of information and communication technologies and control tools 12 ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КВАНТОВОГО КОМП'ЮТЕРА ТА ЙОГО ПОРІВНЯННЯ З КЛАСИЧНИМИ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИМИ СИСТЕМАМИ Бабич М.Г.Харківський радіотехнічний фаховий коледж, Харків, Україна Бондаренко І.С.Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, Україна Сучасна інформаційна епоха висуває дедалі вищі вимоги до обчислювальних потужностей.Традиційні комп'ютери, що працюють за законами класичної механіки, наближаються до фізичних обмежень мініатюризації.Квантові комп'ютери, засновані на принципах квантової механіки, обіцяють революцію у сфері обчислень завдяки своїй здатності виконувати певні задачі експоненційно швидше, ніж класичні аналоги.Метою доповіді є аналіз фізичних принципів роботи квантового комп'ютера, дослідження його ключових відмінностей від класичних обчислювальних систем та оцінка перспектив розвитку квантових технологій.Квантові обчислення базуються на таких фундаментальних принципах, як суперпозиція, квантова заплутаність і квантові гейти.Суперпозиція дозволяє квантовим бітам (кубітам) перебувати одночасно у станах 0, 1 або їхній лінійній комбінації, що дає змогу обробляти багато можливих станів одночасно.Квантова заплутаність виникає, коли два або більше кубітів стають взаємопов'язаними, і зміна стану одного з них миттєво впливає на інший, незалежно від відстані між ними.Операції над кубітами виконуються за допомогою квантових гейтівунітарних операторів, що змінюють стан квантової системи [1].Для реалізації квантових обчислень застосовують різні фізичні системи, серед яких іонні пастки, надпровідні кубіти та фотонні квантові комп'ютери.Іонні пастки використовують охолоджені іони, що утримуються електромагнітними полями, де кубіти реалізуються за допомогою внутрішніх енергетичних станів іонів.Надпровідні кубіти базуються на використанні надпровідних контурів з ефектом Джозефсона, що забезпечує контроль квантових станів.Фотонні квантові комп'ютери застосовують властивості фотонів для здійснення квантових обчислень, що надає переваги у контексті передачі інформації.Класичні комп'ютери працюють на основі бітів, які можуть набувати значень 0 або 1. У квантових комп'ютерах використовуються кубіти, які можуть перебувати в суперпозиції обох станів одночасно, що забезпечує експоненційне зростання потужності при збільшенні кількості кубітів.У класичних комп'ютерах дані обробляються послідовно або за допомогою паралельних обчислень, але в межах традиційної логіки.Квантові комп'ютери можуть обробляти всі можливі стани одночасно завдяки квантовій суперпозиції, що робить їх значно швидшими в певних задачах, таких як факторизація чисел або пошук у базах даних [2].
Current directions of development of information and communication technologies and control tools 12 ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КВАНТОВОГО КОМП'ЮТЕРА ТА ЙОГО ПОРІВНЯННЯ З КЛАСИЧНИМИ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИМИ СИСТЕМАМИ Бабич М.Г.Харківський радіотехнічний фаховий коледж, Харків, Україна Бондаренко І.С.Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, Україна Сучасна інформаційна епоха висуває дедалі вищі вимоги до обчислювальних потужностей.Традиційні комп'ютери, що працюють за законами класичної механіки, наближаються до фізичних обмежень мініатюризації.Квантові комп'ютери, засновані на принципах квантової механіки, обіцяють революцію у сфері обчислень завдяки своїй здатності виконувати певні задачі експоненційно швидше, ніж класичні аналоги.Метою доповіді є аналіз фізичних принципів роботи квантового комп'ютера, дослідження його ключових відмінностей від класичних обчислювальних систем та оцінка перспектив розвитку квантових технологій.Квантові обчислення базуються на таких фундаментальних принципах, як суперпозиція, квантова заплутаність і квантові гейти.Суперпозиція дозволяє квантовим бітам (кубітам) перебувати одночасно у станах 0, 1 або їхній лінійній комбінації, що дає змогу обробляти багато можливих станів одночасно.Квантова заплутаність виникає, коли два або більше кубітів стають взаємопов'язаними, і зміна стану одного з них миттєво впливає на інший, незалежно від відстані між ними.Операції над кубітами виконуються за допомогою квантових гейтівунітарних операторів, що змінюють стан квантової системи [1].Для реалізації квантових обчислень застосовують різні фізичні системи, серед яких іонні пастки, надпровідні кубіти та фотонні квантові комп'ютери.Іонні пастки використовують охолоджені іони, що утримуються електромагнітними полями, де кубіти реалізуються за допомогою внутрішніх енергетичних станів іонів.Надпровідні кубіти базуються на використанні надпровідних контурів з ефектом Джозефсона, що забезпечує контроль квантових станів.Фотонні квантові комп'ютери застосовують властивості фотонів для здійснення квантових обчислень, що надає переваги у контексті передачі інформації.Класичні комп'ютери працюють на основі бітів, які можуть набувати значень 0 або 1. У квантових комп'ютерах використовуються кубіти, які можуть перебувати в суперпозиції обох станів одночасно, що забезпечує експоненційне зростання потужності при збільшенні кількості кубітів.У класичних комп'ютерах дані обробляються послідовно або за допомогою паралельних обчислень, але в межах традиційної логіки.Квантові комп'ютери можуть обробляти всі можливі стани одночасно завдяки квантовій суперпозиції, що робить їх значно швидшими в певних задачах, таких як факторизація чисел або пошук у базах даних [2].
Сучасні напрями розвитку інформаційно-комунікаційних технологій та засобів управління 97 ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ КОМУТАТИВНИХ І НЕКОМУТАТИВНИХ КРИПТОГРАФІЧНИХ МОДЕЛЕЙ Фроленко В.О.Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, Україна Сухотеплий В.М.Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Харків, Україна Безпека цифрових даних та транзакцій є ключовою умовою розвитку сучасних інформаційних технологій.Традиційні криптографічні методи засновані на комутативних групах і довели свою ефективність, проте розвиток квантових обчислень ставить під сумнів їхню довгострокову стійкість.За таких умов зростає значення некомутативних криптографічних моделей, які пропонують нові можливості для анонімності та постквантової безпеки.Метою доповіді є порівняльний аналіз комутативних і некомутативних криптографічних моделей та оцінка їх доцільності для сучасних і постквантових цифрових систем.Комутативні криптографічні моделі ґрунтуються на структурах, де порядок виконання операцій не впливає на результат.Вони включають модульну арифметику, що використовується у RSA та ElGamal, і еліптичні криві, застосовані в ECDSA та EdDSA.Основною перевагою таких моделей є швидкодія, відносно невеликий розмір ключів і простота реалізації алгоритмів перевірки.Ці характеристики роблять комутативні моделі оптимальними для масового використання у сучасних системах.Водночас розвиток квантових алгоритмів, таких як алгоритм Шора, ставить під загрозу їхню стійкість, оскільки ці алгоритми здатні ефективно розв'язувати задачі дискретного логарифма та факторизації великих чисел, на яких базується безпека комутативних схем [1,2].Таким чином, хоча комутативні моделі залишаються швидкими та практичними, їхня криптографічна надійність у перспективі може знижуватися.Некомутаційні моделі базуються на структурах, де порядок виконання операцій критично важливий, що створює додатковий рівень обчислювальної складності [3,4].До таких структур належать групи кіс, матричні групи над некомутативними кільцями та групи перетворень із некомутативними операціями.Складність вирішення пов'язаних задач, таких як задача спряження або декомпозиції, забезпечує високий рівень стійкості до атак, включаючи потенційні квантові.Некомутативні моделі дозволяють реалізовувати анонімні цифрові підписи, що важливо для захисту приватності користувачів у блокчейн-мережах та системах електронного голосування.Перевага некомутативних моделей полягає не лише у стійкості до квантових атак, але й у здатності забезпечити анонімність підписантів у схемах кільцевих або групових підписів.Така анонімність стає критичною у фінансових системах і децентралізованих платформах, де конфіденційність користувачів є ключовою вимогою.Водночас недоліком таких моделей є
Проблеми інформатизації: тринадцята міжнародна науково-технічна конференція 65 МЕТОДИ КВАНТОВОЇ СТЕГАНОГРАФІЇ ЗОБРАЖЕНЬ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В СИСТЕМАХ ЗАХИСТУ Головко Є.В.Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, Україна Сучасні інформаційні системи потребують високого рівня захисту, особливо коли дані передаються відкритими каналами зв'язку.Але традиційні криптографічні підходи не приховують факт існування секретного повідомлення.Поєднання стеганографії з квантовими обчисленнями створює новий рівень безпеки, оскільки квантові стани дозволяють здійснювати операції паралельно, забезпечують високу непомітність і ускладнюють виконання стеганоаналізу [1].Саме тому виникає необхідність наукового дослідження моделей квантового подання зображень та алгоритмів квантової стеганографії, орієнтованих на ефективне та надійне приховування даних.Метою доповіді є дослідження моделей квантових зображень та стеганографічних методів на основі LSB, що забезпечують підвищений рівень захищеності інформації.Квантові комп'ютери відкривають доступ до нових принципів представлення та обробки зображень, що забезпечує значні переваги порівняно з класичними системами.Моделювання зображень у квантових станах дозволяє реалізувати операції над усіма пікселями одночасно, що підвищує ефективність і розширює можливості забезпечення безпеки.Крім того, існуючі класичні стеганографічні методи є дедалі вразливішими до сучасних атак, тоді як квантові стани дозволяють мінімізувати спотворення та ускладнюють виявлення вбудованого повідомлення [2].Актуальність зумовлена потребою у захищеній передачі зображень у таких сферах, як телемедицина, оборона, супутникова розвідка й системи спостереження, де конфіденційність і непомітність мають вирішальне значення.Моделі зображень у квантових станах формують основу для побудови стеганографічних алгоритмів.Модель квантової решітки передбачає пряме відображення пікселів у кубіти, що робить її концептуально простою, але практично складною через потребу у великій кількості кубітів.Модель Real Ket базується на багаторівневому поділі зображення та використанні заплутування, що дозволяє виконати стиснення, однак випадковість структури зображення обмежує її ефективність у реальних застосуваннях.Розвиток моделей призвів до створення FRQI, де координати та інтенсивність зображення зберігаються у суперпозиційних станах.Ця модель забезпечує компактність представлення та можливість паралельної обробки, але має значну обчислювальну складність і застосовується лише до квадратних зображень.На відміну від неї, модель NEQR кодує інтенсивність у базисних станах кубітів і дозволяє зменшити складність формування зображення у квантовому вигляді, що робить її технологічно зручною та придатною для використання в схемах стеганографії [3].Усі ці моделі демонструють різний баланс між точністю представлення, кількістю необхідних кубітів та обчислювальною ефективністю,
У роботі розглянуто принцип функціонування квантових комп’ютерів та роль кубіта як базової одиниці квантової інформації. Проаналізовано фізичну природу кубітів, явище суперпозиції та квантової заплутаності. Детально пояснено математичні співвідношення, що описують стан кубіта та ймовірності результатів вимірювання. Дослідження виконано на основі сучасних наукових праць, присвячених квантовим обчисленням.
На даному етапі розвитку інформаційного суспільства все гостріше постає питання захищеності інформаційних ресурсів. Інформаційна безпека є однією із ключових складових національної безпеки. Із розвитком інформаційних технологій невпинно розвиваються і методи захисту інформації, однак, ще стрімкіше розвиваються методи несанкціонованого доступу до інформації. Це одвічне протистояння продовжується вже багато сотень років і з подальшим розвитком науки й техніки ставатиме все гострішим. Не є секретом і те, що стійкість математичних алгоритмів шифрування інформації (таких як DES, AES, RSA) – це всього лише питання часу і, з винайденням квантового комп’ютера, дані алгоритми шифрування будуть неактуальними і неефективними [1]. Отже, можна зробити припущення, що майбутнє криптографічної науки за квантовою криптографією. На даний момент відомо два основні напрямки квантової криптографії: квантовий прямий безпечний зв’язок (КПБЗ) та квантовий розподіл ключів (КРК) [2]. У протоколах КПБЗ легітимні користувачі (Аліса і Боб) взагалі не використовують шифрування, а передають інформацію шляхом кодування повідомлення за допомогою квантових станів фотонів. Протоколи КРК призначені для розподілу ключів шифрування між легітимними користувачами по квантовому каналу зв’язку.
Розглянуто деякі можливості та проблеми систем передачі інформації, заснованої на квантово-механічних принципах. Незважаючи на уявно високу надійність оптоелектронних систем, що використовують когерентні фотони для захищених ліній передачі та обробки інформації, теоретично можливі методи і засоби здійснення несанкціонованого доступу до квантової інформації, що передається. Раніше передбачалося, що методи та алгоритми криптографії забезпечують дуже високий рівень надійності та безпеки інформаційних потоків. Однак з виникненням більш продуктивних обчислювальних систем, особливо квантових комп’ютерів, з’явилася можливість реалізації складних алгоритмів атак і методів викрадення ключів та потокової інформації. Крім цього, відомі протоколи криптографії були вивчені та випробувані з використанням «пробоїв» та алгоритмів дешифрування, що зробило раніше надійні системи практично непрацездатними. У статті розглянуто деякі види атак, які найбільш ймовірно можуть застосовуватися кіберзлочинцями. Окремі властивості квантових оптичних систем дозволяють використовувати деякі фізичні принципи для виявлення стану фотонних потоків і аналізу зміни цих станів з метою визначення надійності та достовірності інформації, що передається. Водночас припускається, що гібридне поєднання аналізу фізичних характеристик квантів, які передаються в q-бітному поданні, та надійних криптографічних протоколів, можливо, істотно посилить атрибути надійності та захищеності інформації. За таких умов ставиться завдання дослідити можливість застосування у надійних квантових системах деяких методів та систем інтелектуального аналізу даних для реалізації системи підтримки прийняття рішень (СППР) щодо надійності квантових засобів передачі в OLTP-режимі. Пропонується використовувати засоби підготовки та обробки інформації на базі нейронних мереж, що навчаються. Необхідно з’ясувати можливості нейронних мереж працювати у реальному часі з повною синхронізацією інформаційних потоків, а також можливості аналізу їхніх станів. Проаналізовано деякі види атак з поділом фотонів, «квантових троянів» та ін. Незважаючи на безпеку, існує безліч можливостей пробоїв у структурі самого каналу передачі квантів, що не гарантує стовідсотковий захист інформації від атак кіберзлочинців.
З появою квантових обчислювальних технологій, які мають потенціал здійснювати обчислення з набагато більшою швидкістю, ніж класичні комп'ютери, виникає загроза для існуючих криптографічних систем. Квантові алгоритми, здатні ефективно розв’язувати складні обчислювальні завдання, що лежать в основі безпеки сучасних криптографічних систем. Це означає, що з розвитком квантових комп'ютерів стає можливою компрометація багатьох сучасних шифрів, які сьогодні вважаються безпечними.З огляду на це, постає потреба у створенні нових криптографічних методів та алгоритмів, які б залишались стійкими до квантових атак. Пост-квантова криптографія є новим напрямом у криптографічний науці, який ставить за мету розробку алгоритмів, стійких до атак квантових комп’ютерів. Вона охоплює широкий спектр методів, таких як латичні криптосистеми, криптографія на основі кодів з корекцією помилок та багато інших.Таким чином, розвиток квантових обчислювальних технологій ставить перед криптографією нові виклики, що вимагають перегляду існуючих методів захисту інформації. Постає необхідність адаптації криптографічних систем до нових умов, зокрема через створення алгоритмів, які б залишались надійними навіть в умовах появи квантових комп'ютерів.Тому, актуальність теми дослідження полягає в необхідності захисту інформації в умовах швидкого розвитку квантових обчислювальних систем. Наукова новизна цього дослідження полягає в комплексному аналізі пост-квантових криптосистем та їхній стійкості до нових типів загроз. Дослідження пропонує порівняння ефективності класичних криптографічних методів із пост-квантовими, що дозволяє виявити їхні сильні та слабкі сторони в умовах квантових обчислень. Практична значущість дослідження полягає у можливості використання результатів для впровадження нових стандартів криптографічного захисту інформації. Це є особливо важливим для організацій, що обробляють конфіденційні дані, таких як банки, урядові установи та компанії, які займаються розробкою технологій штучного інтелекту. Ключові слова: квантові обчислення, класичні криптографічні системи, загрози, криптографічні алгоритми, інформаційна безпека, квантові технології.