У роботі досліджуються фундаментальні принципи трансляції класичних цифрових схем в еквівалентні квантові ланцюги. Розглядається концепція оборотної логіки та аналізуються ключові універсальні гейти, такі як Тоффолі та Фредкіна, необхідні для забезпечення унітарності квантових операцій. Проведено порівняльний аналіз реалізації базових логічних функцій із позиції квантової вартості, що визначається кількістю необхідних гейтів, зокрема схильних до помилок операторів CNOT. У дослідженні представлені та апробовані методи синтезу та мінімізації квантових ланцюгів для типових комбінаційних схем (наприклад, суматора та мультиплексора). Здійснено моделювання та оцінку оптимізованих квантових схем у середовищі IBM Qiskit [4].
У роботі досліджуються фундаментальні принципи трансляції класичних цифрових схем в еквівалентні квантові ланцюги. Розглядається концепція оборотної логіки та аналізуються ключові універсальні гейти, такі як Тоффолі та Фредкіна, необхідні для забезпечення унітарності квантових операцій. Проведено порівняльний аналіз реалізації базових логічних функцій із позиції квантової вартості, що визначається кількістю необхідних гейтів, зокрема схильних до помилок операторів CNOT. У дослідженні представлені та апробовані методи синтезу та мінімізації квантових ланцюгів для типових комбінаційних схем (наприклад, суматора та мультиплексора). Здійснено моделювання та оцінку оптимізованих квантових схем у середовищі IBM Qiskit [4].
Проведено систематичний огляд передумов застосування квантових обчислень у високоточних системах керування, з урахуванням обмежень традиційних архітектур, що пов'язані з обчислювальною складністю, затримками та обмеженою адаптивністю у реальному часі. Визначено класи задач, для яких потенційно доцільним є впровадження квантових обчислювальних рішень, як то оптимізація траєкторій, прогнозування станів і стабілізація динаміки. Розглянуто провідні архітектури квантових обчислювальних пристроїв з точки зору їхньої сумісності з потребами систем управління. Проаналізовано алгоритмічну базу, релевантну для задач оптимізації та прийняття рішень, зокрема алгоритми Гровера, варіаційний квантовий евристичний алгоритм, варіаційний алгоритм оцінювання енергії, квантові алгоритми лінійної алгебри. Виокремлено ключові характеристики квантових платформ, як то квантова перевага, декогеренція, чутливість до шуму, обмеження на кількість кубітів, як визначальні для практичного впровадження. Узагальнено технічні вимоги до обчислювальних ядер, що мають бути враховані при проєктуванні гібридних архітектур. Наведено приклади використання предикативного та адаптивного керування з включенням квантових прискорювачів. Розглянуто моделі співіснування класичних і квантових компонентів у режимі онлайн-керування. Визначено перспективність використання квантових алгоритмів у задачах моделювання та управління. Розроблено узагальнену концепцію гібридної системи керування, що включає класичний модуль прийняття рішень та квантовий оптимізатор. Здійснено аналітичне порівняння продуктивності класичних та квантових підходів на прикладі типових задач управління, з використанням метрик швидкодії, точності та стійкості до шуму. Запропоновано архітектурне рішення з використанням квантового оптимізатора для керування багатоагентною системою з неповною інформацією про стан середовища. Наведено умовно-формальний опис алгоритму гібридного керування з квантовим елементом у контурі оптимізації.
Стрімкий розвиток квантових обчислень створює загрозу для сучасних криптографічних механізмів, що використовуються для захисту конфіденційності, цілісності та автентифікації даних у цифрових системах.Це особливо актуально для критичних інфраструктур, таких як енергетичні, транспортні, фінансові та урядові інформаційні системи, де компрометація безпеки може мати катастрофічні наслідки. Враховуючи цей виклик, сучасні дослідження зосереджені на розробці та впровадженні постквантових криптографічних рішень, здатних протистояти атакам квантових комп’ютерів. У даній роботі проводиться аналіз основних класів квантово-стійких криптографічних алгоритмів, включаючи кодові, решіткові, многочленні та хешеві схеми. Особливу увагу приділено їхньому порівнянню за ключовими параметрами продуктивності та безпеки, що є критично важливими для реального впровадження. Результати дослідження показують, що решіткові алгоритми, такі як Kyber та NTRU, демонструють оптимальне співвідношення між продуктивністю та стійкістю до атак квантових комп’ютерів, що робить їх найбільш перспективними кандидатами для стандартизації. Водночас кодові алгоритми, зокрема McEliece, забезпечують надзвичайно високий рівень захисту, проте їхній великий розмір ключів залишається серйозним обмеженням для широкого використання.Розглянуто архітектурні рішення для інтеграції квантово-стійкої криптографії в критичні інформаційні системи. Запропоновано використання гібридних криптографічних механізмів, що поєднують традиційні та постквантові алгоритми для забезпечення безпеки в перехідний період. Також розглянуто необхідність адаптації сучасних протоколів, таких як TLS, IPsec та VPN, для підтримки нових алгоритмів, що сприятиме безболісному переходу до повноцінної квантово-стійкої криптографії.Окрему увагу приділено викликам впровадження квантово-стійкої криптографії, включаючи високі обчислювальні вимоги, сумісність із наявними мережевими протоколами, відсутність єдиних стандартів та необхідність оновлення апаратного забезпечення. Наведені можливі шляхи подолання цих проблем, зокрема впровадження апаратних прискорювачів криптографічних операцій та оптимізація алгоритмів для зменшення навантаження на обчислювальні ресурси. Загальні висновки дослідження вказують на неминучість поступового переходу на постквантову криптографію та необхідність стратегічного планування для її ефективного впровадження. Подальші дослідження у цій сфері мають бути спрямовані на оптимізацію алгоритмів, тестування їхньої безпеки в реальних умовах та розробку міжнародних стандартів, що забезпечать довготривалу захищеність цифрових інфраструктур.
Об’єктом дослідження є сучасні квантовостійкі криптоалгоритми, які мають забезпечувати безпеку даних у комунікаційних каналах в умовах зростаючої загрози з боку квантових комп'ютерів, так як для них наразі не існує ефективних алгоритмів криптоаналізу, оскільки вони базуються на інших математичних проблемах ніж ті, що експлуатуються у поточний час. У статті зроблено огляд алгоритмів, які було подано на участь в процесі сертифікації від організації NIST, розподіллено за типами криптографічних схем, наведено відомості про те, на яких математичних задачах вони ґрунтуються, складність розв'язання цих задач, переваги та недоліки. Метою роботи є порівняння постквантових криптографічних систем та їх аналіз. В роботі розглянуті та проаналізовані основні принципи застосування різних видів криптографії, яка є стійкою до атак з використанням як звичайних, так і квантових комп'ютерів та технологій. Оглянуто наступні криптографічні типи: криптографію на основі ґраток, мультиваріативну криптографію, криптографію на основі хеш-функцій, криптографію на основі кодів коригування помилок та криптографію на основі ізогенії; що дозволяє зробити висновок про те, який з підходів до криптографії є кращим дляобрання в конкретній ситуації. Результатом є порівняльний аналіз алгоритмів за обраними критеріями та формування списку алгоритмів, які є прийнятними для використання у «пост квантову добу», коли звичайні алгоритми вже не зможуть забезпечувати конфіденційність, за умови відсутності специфічних вимог щодо їх роботи (таких як розмір відкритого та закритого ключів/швидкодія алгоритмів). Бібл. 21, табл. 2
У статті досліджено сучасні підходи Німеччини до переходу на квантово-стійкі криптографічні технології в умовах зростання ризиків, пов'язаних з розвитком квантових обчислень. Розглянуто фактори, що зумовлюють необхідність відмови від класичних криптографічних алгоритмів, уразливих до квантових атак, та проаналізовано нормативні, технічні й організаційні кроки, які здійснює Федеральне відомство з безпеки інформаційних технологій Німеччини (BSI) для формування національної стратегії переходу. Особливу увагу приділено криптографічним механізмам, які визначаються перспективними для довгострокового захисту, зокрема кодовим схемам, хеш-орієнтованим підписам та решітковим алгоритмам обміну ключами. Окреслено їхні ключові властивості, можливі сфери застосування та обмеження. Додатково розглянуто роль гібридних криптографічних конструкцій як проміжного інструмента забезпечення сумісності між класичними та постквантовими алгоритмами. Проаналізовано готовність німецького ринку до впровадження квантово-стійких рішень, зокрема виклики, пов'язані з модернізацією апаратного забезпечення, складністю оновлення вбудованих систем та потребою у криптографічній гнучкості. Підкреслено значення міждержавної координації в межах Європейського Союзу та необхідність гармонізації стандартів для забезпечення узгодженого рівня безпеки. Зроблено висновок, що Німеччина формує системний, стратегічно орієнтований підхід до впровадження пос-тквантової криптографії, поєднуючи наукові дослідження, технічну стандартизацію та практичну взаємодію з промисловістю. Така модель демонструє ефективний приклад підготовки до майбутніх квантових загроз та може бути використана як основа для формування аналогічних стратегій в інших країнах.
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
У статті з’ясовано, що квантові обчислення є одним із найважливіших досягнень сучасної науки, яке відкриває нові можливості для розв’язання завдань, недоступних для класичних обчислювальних систем. Актуальність дослідження зумовлена швидким розвитком квантових технологій, які мають потенціал для революційних змін у таких сферах, як фінанси, хімія, матеріалознавство та криптографія. Виявлено, що використання квантових комп’ютерів значно підвищує ефективність процесів оптимізації, аналізу великих обсягів даних і моделювання складних систем, що є критично важливим у сучасних умовах швидкого збільшення обсягів інформації. Метою статті є дослідження ефективності квантових обчислень у розв’язанні складних завдань, аналіз основних проблем їх впровадження та розробка рекомендацій для інтеграції цих технологій у високопродуктивні обчислювальні інфраструктури. Методологія. У статті проаналізовано ключові принципи квантових обчислень, такі як суперпозиція, квантова заплутаність та інтерференція, а також виконано оцінювання потенціалу квантових алгоритмів Шора та Гровера. Здійснено порівняльний аналіз теоретичних і практичних аспектів впровадження квантових комп’ютерів у різних галузях, таких як фінансова сфера, хімія, матеріалознавство і криптографія. Використано підхід системного аналізу для виявлення проблем і потенціалу впровадження квантових обчислювальних технологій. Наукова новизна. Наукова новизна роботи полягає в комплексному аналізі прикладних аспектів використання квантових обчислень, виявленні основних технічних і інфраструктурних проблем їх впровадження та розробці рекомендацій щодо інтеграції квантових технологій у сучасні обчислювальні системи. Визначено перспективи використання квантових алгоритмів у нових галузях, таких як медична діагностика, прогнозування кліматичних змін і створення інтелектуальних систем управління. Висновок. У результаті дослідження доведено, що квантові обчислення мають потенціал для значного підвищення ефективності розв’язання складних завдань, але їх широкомасштабне впровадження обмежено технічними та інфраструктурними викликами. Запропоновано рекомендації, які передбачають удосконалення апаратного забезпечення, розробку нових алгоритмів корекції помилок, створення стандартів для інтеграції квантових і класичних систем, а також розвиток хмарних сервісів для забезпечення доступності квантових обчислень. Окреслено перспективи подальших досліджень, які охоплюють розширення сфер застосування квантових технологій і підготовку фахівців, здатних працювати з цими інноваційними системами.