V magistrskem delu smo primerjali učinkovitost in uporabniško izkušnjo treh kvantnih programskih ogrodij Cirq, Qiskit in PennyLane pri simulaciji izbranih kvantnih algoritmov. Za Shorov, Groverjev in Simonov algoritem, kvantni približni optimizacijski algoritem in algoritem Deutsch-Jozsa smo uporabili obstoječe implementacije. Za Deutschev algoritem, Bernstein-Vaziranijev algoritem in generator naključnih števil smo uporabili lastne implementacije. Simulacijo smo izvajali na namiznem računalniku s procesorjem i5-13600KF in 32 GB pomnilnika. Algoritme smo testirali nad naraščajočim številom kvantnih bitov. Analiza je pokazala, da je Qiskit najbolj učinkovit na CPE pri večini algoritmov, medtem ko PennyLane izstopa na GPE zaradi boljše podpore paralelizaciji. Cirq pa je pri večini algoritmov najbolj učinkovit na GPE in konkurenčen na CPE.
V magistrskem delu smo primerjali učinkovitost in uporabniško izkušnjo treh kvantnih programskih ogrodij Cirq, Qiskit in PennyLane pri simulaciji izbranih kvantnih algoritmov. Za Shorov, Groverjev in Simonov algoritem, kvantni približni optimizacijski algoritem in algoritem Deutsch-Jozsa smo uporabili obstoječe implementacije. Za Deutschev algoritem, Bernstein-Vaziranijev algoritem in generator naključnih števil smo uporabili lastne implementacije. Simulacijo smo izvajali na namiznem računalniku s procesorjem i5-13600KF in 32 GB pomnilnika. Algoritme smo testirali nad naraščajočim številom kvantnih bitov. Analiza je pokazala, da je Qiskit najbolj učinkovit na CPE pri večini algoritmov, medtem ko PennyLane izstopa na GPE zaradi boljše podpore paralelizaciji. Cirq pa je pri večini algoritmov najbolj učinkovit na GPE in konkurenčen na CPE.
Izvleček: V magistrskem delu je opisana uporaba kvantnih algoritmov v kriptoanalizi bločnih šifer, ki se opirajo na Feistelovo omrežje ali na zamenjalno-permutacijsko strukturo (SPN).V delu analiziramo več dobro poznanih kvantnih algoritmov, med katere spadajo Simonov, Groverjev, Berstein-Vaziranijev ter Kuperbergov algoritem.Preučena je njihova časovna zahtevnost, ki jo primerjamo z zahtevnostjo dotičnih klasičnih algoritmov.Za omenjene algoritme je podanih več aplikacij v kriptoanalizi nekaterih enkripcijskih shem, kot so npr.Even-Mansourjeva konstrukcija, FX konstrukcija ter številne Feistelove šifre.Utemeljeno je, da so kvantni napadi, ki temeljijo na kombinaciji Simonovega in Groverjevega algoritma pogosto uspešni v primeru Feistelovega omrežja, medtem ko so šifre, ki temeljijo na SPN strukturi, dovolj odporne na njih.To še posebej velja za šifre tipa AES.Orodja, ki jih v magistrskem delu uporabimo, slonijo na dobro poznanih razultatih iz linearne algebre in kvantnega računalništva.Ker je post-kvantna kriptoanaliza bločnih šifer šele v povojih, zaklučimo, da je potrebno kvantno varnost bločnih šifer ponovno evalvirati.Višnjić D. On Applications of Quantum Algorithms in Cryptanalysis of Block Ciphers.
V nalogi obravnavam kvantne generatorje naključnih števil (QRNG) kot napredne vire naključnosti, ki presegajo omejitve klasičnih metod. Najprej predstavim teoretično ozadje in pomen naključnosti pri kriptografiji, simulacijah in znanstvenih raziskavah. Posebno pozornost namenim razlikam med psevdonaključnimi (PRNG), strojnimi (TRNG) in kvantnimi generatorji naključnih števil, pri čemer slednji temeljijo na nedeterminističnih kvantnih pojavih. V praktičnem delu analiziram delovanje naprave Qocka, ki temelji na delitvi posameznih fotonov, ter obravnavam pridobivanje podatkov. Podatke sem obdelal z von Neumannovim in Toeplitzovim ekstraktorjem ter jih ovrednotil s statističnimi testi (Dieharder, PractRand) in oceno min-entropije (NIST SP 800-90B). Rezultati kažejo, da obdelani nizi prestanejo zahtevne preizkuse, vendar to samo po sebi še ne zagotavlja resnične entropije, saj tudi deterministični generator dosega podobne statistične lastnosti. Sklepam, da je za zanesljivo vrednotenje QRNG nujna kombinacija statističnih testov, modeliranja vira in konservativne ocene entropije. Naloga tako prispeva k razumevanju pomena postprocesiranja in metod ocenjevanja pri razvoju varnih kvantnih generatorjev.
Přestože kvantové počítače, které mohou překonat konvenční počítače, jsou stále ve vývoji, je pro přípravu na budoucnost kvantové výpočetní techniky zásadní, abychom pokročili v porozumění a vývoji kvantových algoritmů. Tento bakalářský projekt zkoumá rozvíjející se oblast kvantového programování a simulace na aktuálně dostupných kvantových počítačích. Studujeme základy kvantového počítání a shrnujeme běžně používané principy používané v této oblasti. Teoreticky popisujeme kvantové procházky s klíčovým důrazem na varianty s diskrétním časem, které tvoří stěžejní část této práce. Dále představujeme optimalizovanou metodu pro efektivní implementaci kvantových procházek v diskrétním čase vhodnou pro současnou architekturu kvantových počítačů. Ukazujeme, že tato metoda je ve srovnání s běžnými metodami úspěšnější při zkoumání aspektů souvisejících s kvantovými procházkami, jako je dynamika šíření a dokonalý přenos stavu.
V diplomskem delu je analiziran vpliv kvantnih računalnikov na varnost protokolov RSA, ECC in AES. Podan je teoretični pregled vpliva kvantnega računalništva na kibernetsko varnost ter izvedene praktične simulacije, ki prikazujejo, kako kvantna algoritma Shor in Grover ogrožata klasične kriptografske sisteme. Simulacije so bile izvedene lokalno na idealnem simulatorju in v oblaku na kvantnem procesorju IBM Quantum. Lokalni rezultati so potrdili teoretično ranljivost RSA in ECC ter delno oslabitev AES. Izvedba algoritmov v oblaku je pokazala, da trenutni kvantni procesorji zaradi šuma, kratke koherence in majhnega števila kubitov napadov še ne zmorejo ponovljivo izvesti. Shorov algoritem je deloval stabilnejše kot Groverjev, vendar natančnost v obeh primerih ni dosegla ravni, ki bi omogočala izvedbo praktičnega napada. Glavni zaključek dela je, da kvantni računalniki trenutno ne predstavljajo neposredne grožnje sodobnim protokolom, vendar teoretična ranljivost jasno kaže, da bo v prihodnosti nujen prehod na postkvantne kriptografske rešitve.
Nahodnosť je veľmi hodnotný zdroj v mnohých oblastiach modernej vedy. Typicky, vo vacsine aplikacii je vyžadovana dokonala nahodnosť -- uniformne distribuovane bity nezavisle od akýchkoľvek iných dat. Tento predoklad je casto využivaný pri analýze algoritmov a protokolov. Nanesťastie, je veľmi zložite dokazať už len fakt, že akýkoľvek zdroj nahodnosti je dostatocne nepredvidateľný. Požiadavka uniformnej distribucie sa v tomto svetle zda takmer nemožna. V dosledku týchto uvah je doležite zistiť, ci sa daju v aplikaciach efektivne použivať slabe zdroje nahodnosti -- neuniformne nahodne procesy ciastocne nezavisle od vonkajsich dat. Tento problem bol dokladne prestudovaný v klasickom spracovani informacie. Trochu prekvapivo, až donedavna existovalo veľmi malo srudii dopadu slabej nahodnosti na kvantove spracovanie informacie. V troch hlavných kapitolach tejto prace sa venujeme trom roznym temam prepojeným spolocnou temou slabej nahodnosti v kvantovom spracovani informacie. V kapitole 3 ukazujeme, že sifrovanie klasických sprav do qbitov zvysuje bezpecnosť kryptosystemu v pripade, že tajný kľuc použitý v symetrickom sifrovani je iba slabo nahodný. Toto je v silnom kontraste s klasickými siframi, kde nie je možna žiadna bezpecnosť ani s relativne silnými zdrojmi nahodnosti. V sirsom zmysle tento výsledok ukazuje, že kvantove zdroje možu pomocť pri klasických ulohach implementovaných pomocou nedokonalej nahodnosti. V kapitole 4, naopak ukazujeme negativny výsledok. Predstavujeme v nej utok na protokol kvantoveho zdieľania kľuca, ktorý využiva slabu nahodnosť v jednej faze protokolu. Takýto utok vyžaduje iba veľmi malý vplyv utocnika na generator nahodných cisel použitý na implementaciu protokolu. Piata kapitola ide trochu iným smerom. Ukazujeme v nej, ako sa da extrahovať dokonala nahodnosť so slabeho zdroja za pomoci kvantových zariadeni. Navyse, protokol je tzv. nezavislý na zariadeniach -- nepotrebujeme poznať presnu specifikaciu zariadeni. Toto je zaujimavý výsledok, pretože uloha extrahovania dokonalej nahodnosti s jedneho zdroj aslabej nahodnosti je v klasickom pripade nemožna.
Článek ukazuje, jak si bez hlubokého teoretického ponoru prakticky „osahat“ kvantové počítání ve výuce: na jednoduchém dvouqubitovém obvodu (Hadamard + CNOT) vysvětluje superpozici, provázání a pravděpodobnostní povahu měření a zároveň nabízí analytické dopočítání výsledku pro kontrolu porozumění. Následně vede krok za krokem k realizaci téhož obvodu v Pythonu (Qiskit) nejprve na ideálním simulátoru a poté na reálném hardwaru IBM, kde se explicitně projeví šum a chybovost jako didakticky cenný kontrast. Součástí je i stručný návod na zřízení přístupu (instance, API klíč).