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.
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.
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.
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
Kvanttiteknologian kehitys sisältää merkittävän uhkaskenaarion nimeltä Y2Q. Arvioiden mukaan nykyiset, laajasti käytetyt epäsymmetriset salausmenetelmät kokevat murroksen jopa seuraavan kymmenen vuoden aikana, kun kvanttitietokoneiden laskentatehon ennustetaan kasvavan tasolle, jolla Shorin algoritmi voi ratkaista diskreetin logaritmin ongelman polynomisessa ajassa. Tämä käytännössä murtaa epäsymmetrisen salauksen pitävyyden. Ennuste koskee myös sähköisiä allekirjoituksia, joiden tapauksessa pahantahtoinen taho voisi halutessaan väärentää allekirjoituksia mielivaltaisiin dokumentteihin, ohjelmistoihin tai yhteyksiin. Tämän pohjalta mihinkään TLS-yhteyteen tai ohjelmistojakeluun ei voisi luottaa. Kvanttilaskennan edistysaskeleet korostavat kvanttiturvallisen salauksen merkitystä. Vaihtoehtoisia keinoja salata ja allekirjoittaa dataa on jo olemassa sekä uusia on jatkuvasti kehitteillä. Tämä tutkielma keskittyy toteuttamaan allekirjoitusmoduulin, joka sisältää niin perinteisiä kuin kvanttiturvallisia allekirjoitusalgoritmeja. Moduulin ideana on luoda mahdollisuus kvanttiturvallisten menetelmien harjoitteluun jo ennen Y2Q:ta. Toteutetuista menetelmistä suoritetaan vertailuanalyysi algoritmien samankaltaisuuksien sekä erilaisuuksien toteamiseksi. Tutkielman tuloksena on allekirjoitusmoduuli, joka toteuttaa allekirjoitukselle olennaiset menetelmät kolmelle perinteiselle (RSA-PSS, ECDSA, Ed25519) ja kolmelle kvanttiturvalliselle (Dilithium, Falcon, SPHINCS+) algoritmille. Moduuli on toteutettu C-kielellä hyödyntäen OpenSSL:n ja Open Quantum Safen algoritmikirjastoja. Vertailuanalyysin pohjalta Dilithium todettiin yleisesti allekirjoitus- ja verifiointitulosten pohjalta tehokkaimmaksi, vaikkakin ECDSA suoriutui avainten luonnissa tehokkaimmin.
Kvanttilaskennan eräs ongelma on kvanttisysteemien herkkyys ulkopuolisille vaikutuksille, eli dekoherenssille. Tämä tekee systeemin koherenssista resurssin, jota voidaan käyttää suorittamaan haluttuja toimintoja. Tutkielma alkaa johdannolla lineaarialgebraan ja kvanttimekaniikan perusteisiin, jotta kvanttilaskentaa voidaan mallintaa. Tätä seuraava osuus käsittelee kvanttilaskentaa ja alkaa esittelemällä kubitit, korostaen näiden ja klassisten bittien eroavaisuuksia. Lisäksi esitellään intuitiivinen tapa ajatella yksittäisiä kubitteja, Blochin pallo. Osio jatkuu esittelemällä kvanttiportit jälleen korostaen näiden eroavaisuuksia klassisisiin portteihin. Tämän jälkeen käsitellään kvanttilaskennan erittäin oleellinen eroavaisuus klassisen laskennan välillä, nimittäin mittaus, joka muuttaa alla olevan kvanttisysteemin tilaa ja täten vaikuttaa kvanttilaskennan tulokseen, mikäli mittaus tehdään kesken laskennan. Osuus päätetään esittelemällä yleisesti käytetty tapa mallintaa kvanttilaskentaa, kvanttipiirit. Kolmannessa osiossa kehitellään kvanttilaskennalle universaalien kvanttiporttien käsite. Tarkastelu aloitetaan kaksitasoisilla matriiseilla, jotka myöhemmin samaistetaan kvanttiportteihin. Osiossa myös kehitellään Blochin pallosta intuitiota kvanttiportteja vastaaviin kiertoihin. Tämän jälkeen esitetään tapa luoda mikä tahansa yhden kubitin portti kahdella kierrolla. Seuraavaksi osoitetaan, että tällaisella porttijoukolla ja kontrolloidulla NOT-portilla voidaan luoda mikä tahansa kvanttiportti. Lopuksi muodostetaan universaali porttijoukko. Lopuksi käydään koherenssin resurssiteoriaa. Ensiksi käydään vaaditut valmistelut kvanttioperaattoreista ja kvanttisysteemin entropiasta, jota varten esitellään von Neumannin entropia. Tämän jälkeen erotellaan kvanttisysteemin epäkoherentit tilat ja operaatiot koherenteista tiloista ja operaatioista sekä osoitetaan, että epäkoherenteilla operaatioilla ja yhdellä maksimaalisesti koherentilla kubitilla voidaan luoda mikä tahansa kvanttiportti. Lopuksi todistetaan, että systeemin tiheysmatriisin ja tiheysmatriisin diagonaalin välinen suhteellinen entropia on koherenssimitta.
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.
Tässä kirjallisuuskatsauksena toteutetussa tutkielmassa tarkastellaan ionisoivan säteilyn vaikutuksia kvanttitietokoneiden elektroniikkaan. Tutkielman tavoitteena on selvittää, miten ionisoiva säteily vaikuttaa suprajohtaviin kubitteihin ja millaisia virheitä se aiheuttaa kvanttilaskennassa. Lisäksi tutkielma käsittelee kvanttilaskennan kannalta olennaisia käsitteitä ja fysikaalisia ilmiöitä, jotka ovat välttämättömiä aiheen tieteellisemmän käsittelyn kannalta. Erityisesti perehdytään kosmisesta säteilystä peräisin olevien myonien ja ympäristön radioaktiivisten alkuaineiden hajoamistuotteina syntyvien γ-säteiden vaikutuksiin suprajohtavassa kubitissa. Tutkielmassa huomataan ionisoivan säteilyn aiheuttavan kvanttilaskennassa relaksaatio-, vaihe-ero- ja korreloituja virheitä, mutta erityisesti korreloitujen virheiden aiheuttavan haasteita virheenkorjausmenetelmissä. Tutkielmassa myös käsitellään virheenkorjausmenetelmiä ja ratkaisuja säteilysuojaukseen. Tutkielman perusteella voidaan todeta ionisoivan säteilyn vaikutusten ymmärtämisen olevan tärkeää vikasietoisen kvanttilaskennan kehittämiseksi. Tulokset osoittavat myös, että tarvitaan lisätutkimusta korreloitujen virheiden suojausmekanismien kehitykseen.