הקוונטים מול ההצפנה: למה בנקים וממשלות כבר מחליפים את המנעולים של האינטרנט

רוב הדיון הציבורי על מחשוב קוונטי עוסק בתרופות, בחומרים ובאופטימיזציה. התחום שמזיז תקציבים כבר היום הוא דווקא אחר: הצפנה. השיטות שמגנות על העברות בנקאיות, על אתרי אינטרנט ועל ארנקים דיגיטליים נשענות על בעיה מתמטית שמחשב רגיל מתקשה לפתור, ומחשב קוונטי מסוגל בתאוריה לפרק.

הפער בין התאוריה למכונה קיימת גדול, אבל הוא מצטמצם. מכאן נולדה תעשייה שלמה של היערכות מוקדמת, שפועלת לפי הנחה פשוטה: עדיף להחליף מנעול שנה מוקדם מדי משעה אחת מאוחר מדי.

איך ההצפנה עובדת היום

ההצפנה הנפוצה באינטרנט בנויה על מפתח ציבורי ומפתח פרטי. כל אחד יכול להצפין הודעה באמצעות המפתח הציבורי, ורק בעל המפתח הפרטי מסוגל לפענח אותה. הביטחון של השיטה נשען על כך שגזירת המפתח הפרטי מתוך הציבורי דורשת פירוק של מספר ענק לגורמים ראשוניים.

הרעיון פשוט יותר ממה שהוא נשמע. קחו שני מספרים ראשוניים גדולים והכפילו אותם. הכפל קל, כל מחשב עושה אותו בשבריר שנייה. עכשיו קחו את התוצאה בלבד ונסו לשחזר ממנה את שני המספרים המקוריים. הפעולה ההפוכה הזו קשה עד בלתי אפשרית, וכל האבטחה של האינטרנט בנויה על הפער הזה בין קלות הכפל לקושי הפירוק.

מחשב רגיל יידרש לזמן שעולה על גיל היקום כדי לבצע את הפירוק הזה עבור מפתח בגודל מקובל. זו הסיבה שהשיטה החזיקה מעמד עשרות שנים.

האלגוריתם שמשנה את החישוב

ב-1994 פרסם המתמטיקאי פיטר שור אלגוריתם שמנצל סופרפוזיציה ושזירה כדי לפרק מספרים לגורמים בזמן קצר בהרבה. מחשב קוונטי גדול מספיק יכול, לפי האלגוריתם, לגזור מפתח פרטי מתוך מפתח ציבורי תוך שעות במקום מיליארדי שנים.

אלגוריתם שני, שפותח על ידי לוב גרובר, מאיץ חיפוש במאגר לא מסודר. השפעתו מתונה יותר, והמענה המקובל לו הוא הכפלת אורך המפתח בשיטות ההצפנה הסימטריות שמשמשות להצפנת קבצים ותעבורה.

כמה רחוקה המכונה הזו

הרצת אלגוריתם שור על מפתח מסחרי דורשת מספר גדול של קיוביטים לוגיים יציבים, כלומר מיליוני קיוביטים פיזיים לפי רוב ההערכות. המכונות הקיימות רחוקות מכך בסדרי גודל, וההערכות בענף מציבות את המועד בין סוף העשור הנוכחי לבין שנות הארבעים של המאה.

ההתקדמות תלויה כמעט כולה ביכולת להגדיל את המערכות ולשמור עליהן יציבות, ולכן כל בשורה בתחום תיקון השגיאות והקירור מקרבת את המועד.

• איון קיו רוכשת חברת סייבר בעד 1.3 מיליארד דולר - והמניה נופלת 10%
• IBM קיבלה את החותמת של הפנטגון במרוץ הקוונטי - ומתחרה בולטת נשארה בחוץ

הסיכון שכבר קיים היום

הבעיה המעשית קיימת עוד לפני שהמכונה נבנתה, והיא מכונה בענף אסוף עכשיו, פענח אחר כך. גורם עוין שמעתיק היום תעבורה מוצפנת ושומר אותה, יוכל לפענח אותה ביום שבו תגיע החומרה המתאימה. מידע רפואי, מסמכי ממשל, קניין רוחני וחוזים ארוכי טווח נשארים רגישים עשרות שנים, ולכן הם בסיכון כבר עכשיו.

הרגישות הזו הגיעה גם לשוק הקריפטו. מפתחות של ארנקים דיגיטליים חשופים לאותו איום, ובית השקעות אחד כבר הוציא ביטקוין מהתיק בשל החשש הזה. הקהילה עצמה דנה במעבר לחתימות עמידות בפני קוונטים, מהלך שדורש הסכמה רחבה ושדרוג של תשתית שלמה.

שווה להכיר את הכלל שמנחה את מקבלי ההחלטות בתחום, על שם החוקר מישל מוסקה. הוא שואל שלוש שאלות: כמה שנים המידע שלכם צריך להישאר סודי, כמה שנים ייקח לכם להחליף את שיטות ההצפנה, וכמה שנים נותרו עד שיהיה מחשב קוונטי מתאים. אם סכום שני הראשונים גדול מהשלישי, אתם כבר מאחרים. בנק שמחזיק מידע לקוחות לעשרים שנה ומעריך שהמעבר ייקח לו חמש, נמצא בבעיה גם אם המכונה תגיע רק בעוד עשרים שנה.

מה עושים בפועל

המענה נקרא הצפנה פוסט-קוונטית. מדובר בשיטות מתמטיות חדשות, שנשענות על בעיות שגם מחשב קוונטי מתקשה בהן, ופועלות על חומרה רגילה לחלוטין. גופי תקינה בינלאומיים אישרו בשנים האחרונות תקנים ראשונים בתחום, וענקיות טכנולוגיה החלו לשלב אותם בדפדפנים ובשירותי ענן.

המעבר עצמו מסובך יותר משדרוג תוכנה. ארגון גדול צריך למפות היכן בדיוק מוצפן מידע, אילו מערכות ישנות מקובעות לשיטה מסוימת, ומה קורה לחומרה ייעודית שהוטמעה בה הצפנה קשיחה. בבנקים ובחברות תשתית מדובר בפרויקט רב-שנתי.

• אפל נכנסת לסלון: מסך בית חכם ב-350 דולר ושלושה מוצרים חדשים בדרך
• מיקרוסופט מציגה שבב AI חדש: המטרה - לצמצם את התלות באנבידיה

לתקנים האלה יש כבר שמות. גופי התקינה בארצות הברית אישרו שלושה: אחד להעברת מפתחות ושניים לחתימות דיגיטליות, כולם מבוססים על משפחות מתמטיות אחרות לגמרי מאלה שבשימוש היום. הם נשענים על סריגים ועל פונקציות גיבוב, בעיות שלא ידועה להן דרך קיצור קוונטית.

וכאן צריך להיות זהיר, כי גם המתמטיקה החדשה אינה חסינה. אחד המועמדים הבולטים בתהליך התקינה, שיטה בשם SIKE, נשבר בשנת 2022 על ידי חוקרים שהריצו התקפה על מחשב נייד רגיל בתוך שעה. לא נדרש שום מחשב קוונטי, פשוט נמצא פגם מתמטי שאיש לא הבחין בו קודם. זו תזכורת מפוכחת: הצפנה פוסט-קוונטית מגנה מפני האיום הקוונטי, אבל היא צעירה בהרבה מהשיטות שהיא מחליפה ולא עברה עשרות שנים של ניסיונות שבירה.

המסקנה שהתקבעה בענף נקראת גמישות הצפנתית. במקום להחליף מנעול אחד באחר ולקוות, בונים מערכות שבהן אפשר להחליף את שיטת ההצפנה בלי לפרק את כל המערכת. זה יקר יותר בהתחלה וזול בהרבה בפעם הבאה שמשהו יישבר.

הזווית העסקית

ההיערכות הזו יצרה שוק בפני עצמו. חברות סייבר מוכרות שירותי מיפוי והחלפת תקנים, יצרניות חומרה מוכרות רכיבים שתומכים בתקנים החדשים, ויועצים מוכרים תוכניות מעבר. השוק הזה מייצר הכנסות כבר היום, בלי תלות בשאלה מתי יגיע המחשב הקוונטי המסוכן.

עבור משקיע זו הבחנה שימושית: חלק מהחברות שנהנות מהאיום הקוונטי רחוקות מלהיות חברות קוונטים. הן מוכרות את ההגנה מפניו, והביקוש למוצר שלהן נובע מהציפייה ולא מהמימוש.

הכיוון ההפוך: הצפנה שמשתמשת בקוונטים

לצד ההגנה המתמטית התפתח כיוון שני, שמשתמש בפיזיקה הקוונטית עצמה כדי לאבטח תקשורת. השיטה מכונה הפצת מפתחות קוונטית, והיא נשענת על תכונה בסיסית: כל ניסיון ליירט פוטון שנושא מידע משנה את מצבו, וכך הצדדים מגלים מיד שמישהו האזין לקו.

סין השקיעה בכיוון הזה משאבים גדולים, כולל לוויין ייעודי ורשתות סיב אופטי בין ערים. המגבלה המרכזית היא מרחק ועלות: המערכות דורשות תשתית ייעודית ומתקשות לעבור מרחקים ארוכים בלי תחנות ביניים. לכן הן מתאימות היום לקווים ביטחוניים ובנקאיים ממוקדים, ורחוקות מלשרת את האינטרנט הפתוח.

מי קובע את לוח הזמנים

בפועל, קצב המעבר נקבע ברגולציה ולא בשוק. גופי אבטחת מידע ממשלתיים בארצות הברית ובאירופה פרסמו לוחות זמנים להחלפת תקני ההצפנה במערכות קריטיות, וספקים שרוצים למכור לממשלה מחויבים ליישר קו. משם ההשפעה מחלחלת לשרשרת האספקה כולה.

המשמעות היא שהביקוש בתחום ההגנה הפוסט-קוונטית ודאי יחסית, גם אם התאריך שבו יגיע המחשב המסוכן נשאר עמום. זהו הבדל מהותי מול שאר הסקטור, שבו ההכנסות תלויות בפריצת דרך מדעית שטרם התרחשה.

מה שווה לבדוק בדוח של חברה

ההיערכות הפוסט-קוונטית מופיעה בדוחות של חברות רבות בשתי צורות שונות. אצל ספקיות אבטחה היא מוצגת כמנוע הכנסה חדש, ולכן שווה לבדוק אם היא מתורגמת לחוזים חתומים או נשארת בגדר הצהרת כוונות שיווקית.

אצל בנקים, חברות תשתית וגופים רפואיים היא מופיעה בצד ההוצאה. פרויקט החלפת הצפנה נמשך שנים ונוגע במאות מערכות, ולכן הוא מייצר עלות תפעולית מתמשכת שכדאי לזהות מוקדם. חברה שמתחילה את התהליך בהדרגה מפזרת את העלות, וחברה שממתינה עלולה למצוא את עצמה מבצעת אותו בלחץ רגולטורי ובעלות גבוהה יותר.

ומה עם ההצפנה הקוונטית עצמה

כאן נוצר בלבול נפוץ. יש טכנולוגיה שנקראת הפצת מפתחות קוונטית, שבה המפתח עובר בסיב אופטי באמצעות פוטונים בודדים, וכל ניסיון ליירט אותו משנה את המצב ומתגלה מיד. זה נשמע כמו הפתרון המושלם, ובאמת מדובר בהגנה שנשענת על חוקי הפיזיקה ולא על קושי מתמטי.

בפועל היא פותרת בעיה צרה. היא דורשת סיב ייעודי או קו ראייה ללוויין, מוגבלת במרחק, יקרה, ואינה מטפלת בחתימות דיגיטליות שהן חצי מהבעיה. גופי ביטחון בכמה מדינות אמרו במפורש שהם מעדיפים את המסלול המתמטי על פני החומרתי. מדינות אחרות, בעיקר סין, השקיעו דווקא בכיוון הזה והפעילו לוויין ייעודי. הוויכוח הזה עדיין פתוח, אבל התשובה המעשית לרוב הארגונים בעולם היא תקנים חדשים על החומרה הקיימת, לא סיבים חדשים.