A pénzügyi infrastruktúra kvantum biztonsága és kvantum rizikói

A kvantum számítógépek fejlődése szép lassan megállíthatatlannak tűnik. Habár a fejlődés lassú és fokozatos, és talán még nem érte el azt a szintet, hogy egyértelműen kvantum előnyről vagy kvantum fenyegetettségről beszéljünk, előreláthatóan egy évtizeden belül ez megvalósulhat. Jelen cikkünkben ennek a quantum rizikónak a pénzügyi infrastruktúrára gyakorolt lehetséges hatásait, illetve a lehetséges megelőzési lehetőségeket viszgáljuk.

A kvantumszámítógépek működése kvantum mechanikai elvekre épül. Amennyiben elég kis részecskékkel foglalkozunk, például fotonokkal vagy elektronokkal, akkor a Newtoni mechanika kevésbé használható, helyette az ilyen részecskék hullám-részecske kettősség kell figyelembe venni. Ennek elmélete meglehetősen komplex és helyenként még nem is teljesen kidolgozott, praktikusan ez azonban azt jelenti, hogy az elemi részecskéket bizonyos helyzetekben hullámként tudjuk legjobban leírni, míg más helyzetben inkább valamiféle fizikai testnek célszerű elképzelni. Azért, hogy az elméleti és fizikai komplexitást valamennyire egyszerűbb módon kezelhető legyen számítástechnikai szinten is, bevezettek egy új absztrakt fogalmat az úgynevezett qubit-et. A qubit abban különbözik egy normális bittől, hogy amíg egy normális bit csak 0 vagy 1 értéket tud felvenni, addig egy qubit egyszerre veszi fel az összes 0 és 1 közötti értéket. Ezt hívjuk szuperpozíciónak, lényegében az elemi részecske hullámtermészetét fejezi ki. Amennyiben egy szuperpozióban lévő részecskét, qubit-et megmérünk, akkor viszont “összeomlik” az állapota és 0 vagy 1 lesz. 

A kvantumszámítógépek és qubitek segítségével többféleképpen építhetünk fel algoritmusokat. Az egyik legegyszerűbb esetben a qubitek között valamiféle speciális determinisztikus kapcsolat található meg, melyet összefonódásnak (entanglement) nevezünk. Segítségével a qubitek között áramkörökhöz hasonló kapcsolatok hozhatók létre, melyek segítségével komplexebb algoritmusokat és számításokat is megvalósíthatunk. A következő ábrán egy egyszerű kvantum áramkör látható.

A kvantum algoritmusok előnye abban jelentkezi, hogy nagyfokú módon párhuzamosan képes lefuttatni egyes feladatokat. A qubitek szuperpozíciójának következtében exponenciálisan több információt képes tárolni és jól konstruált algoritmusok esetén exponenciálisan gyorsabb, ez azonban egyenlőre nem mindenhol lehetséges. Amennyiben egyértelműen sokkal gyorsabb algoritmusok quantum számítógépekkel, akkor beszélünk kvantum előnyről (quantum advantage).

Kvantum algoritmusokat előreláthatólag sokféle területen lehet használni, a főbb lehetséges alkalmazási irányok:

- Szimuláció és optimalizáció: a legígéretesebb iránya a kvantum algoritmusoknak a különböző komplex szimulációk és optimalizációk futtatása. 

- Biológiai és molekuláris szimulációk futtatása, például gyógyszerek kutatásához.

- Pénzügyi és piaci szimulációk. 

- Logisztikai rendszerek és ellátási láncok optimalizálása. 

- Időjárás előrejelzés. 

- Gépi tanulás és mesterséges intelligencia. 

- Kriptográfia, quantum kriptográfiai algoritmusok, és klasszikus kriptográfiai algoritmusok feltörése. 

A pénzügyi infrastruktúra quantum biztonsága és kockázatai szempontjából ez az utolsó kategória ami kritikusnak számít. A probléma különösképpen kritikus lehet a pénzügyi infrastruktúrával, mind a centralizáltnál, mind pedig a decentralizáltnál, mivel ezek a rendszerek meglehetősen kritikus alkamazásokat futtatnak. Ilyen alkalmazás például a különböző fizetési és elszámolási rendszerek, bankolás, ATM-ek, hitelkártya rendszerek és a tőzsdei infrastruktúra. A decentralizált pénzügyi világban pedig a kriptovaluták és a tokenizáció tekinthető meglehetősen kritikusnak. 

A tudomány jelenlegi állása szerint két kvantum algoritmus tekinthető meglehetősen problematikusnak a pénzügyi infrastruktúra biztonsága szempontjából: 

- Shor algoritmusa számos nehéznek (exponenciális) gondolt matematikai problémát képes hatékonyan (polinom időben) megoldani. Ilyen problémák például a prím faktorializálás, vagy az elliptikus görbén való hatványozás. Sajnos ezen problémák képezik az alapját a legtöbb napjainkban használ kulcs-csere protokollnak, nyilvános-titkos kulcsú titkosításnak és digitális aláírásnak, melyek lényegében a pénzügyi infrastruktúra alapját képezik. Mihelyt megfelelő méretű quantum számítógépeink lesznek, ezek a kriptogáfiai protokollokat fel lehet törni. 

Természetesen jelenleg nem állnak rendelkezésre elég hatékony qunatumszmáítógépek, azonban a probléma sajnos nem elhanyagolható. Elképzelhető ugyanis egy úgynevezett tárold le most, titkosítsd vissza később (store now, decrypt later) támadási forma, ahol hackerek a pillanatnyilag titkosított és feltörhetetlen adathalmazt letárolják, majd ha a megfelelő méretű quantum számítógépek rendelkezésre állnak, akkor visszatitkosítják. Természetesen ez lehet, hogy 5-10-15 év múlva lesz, de ettől függetlenül elképzelhető, hogy így is kritikus adat szivárog ki. 

- Grover algoritmusa: Segítségével egy nagyméretű tömb adott elemét tudjuk gyorsabban megtalálni mint klasszikus számítógépekkel. Használatával például kriptográfiai hash függvényeket (digitális ujjlenyomat képző függvényeket) vagy szimmetrikus titkosítást lehet gyorsabban feltörni. Ennek az algoritmusnak a jelentősége azonban csekélyebb mivel, bár gyorsabbak, de nem lényegesebben gyorsabbak (lineáris lépésszám helyett négyzetgyök). Így az esetek nagy részében a kriptográfiai algoritmusok minimális változtatásával, például nagyobb kulcsméret, a Grover algoritmus nem jelent valós kvantum veszélyt.  

Természetesen felmerül a kérdés, hogy mit lehet tenni a kvantum veszély és rizikó csökkentésének vagy megszüntetésének érdekében. A két lehetséges megoldást a kvantum vagy kvantum rezisztens algoritmusok használata jelentheti:

- Kvantum rezisztens kriptográfiai algoritmusok (post kvantum kriptográfia): Olyan klasszikus számítógépeken futó kriptográfiai algoritmusok, melyekről pillanatnyilag úgy gondoljuk, hogy kvantumszámítógépekkel sem oldhatóak meg gyorsan. Az ilyen megoldások jellemzően valamilyen kvantum rezisztens nehéz matematikai problémára épülnek, mint például háló, kód vagy absztrakt algebrai elmélet. A konkrét kriptográfiai megoldások kidolgozása egy nehéz és hosszú folyamat, éppen ezért a NIST (National Institute of Standards and Technology) egy többfordulós éveken tartó szabványosítási folyamatot hirdetett ki a legjobb post kvantum kriptográfiai algoritmusok megtalálására.  

- Kvantum kriptográfia: Kvantumszámítógépeken futó kriptogárfiai algoritmusok. Ennek az iránynak a nyilvánvaló nehézsége, hogy még nem állnak rendelkezésre megfelelő teljesítményű kvantumszámítógépek. Ennek ellenére léteznek már kvantummechanikai alapokon működő megoldások például kulcs generálásra vagy kulcs cserére (QKD - quantum key distribution).

Természetesen a legfontosabb kérdés, hogy mikor állnak rendelkezésre olyan kvantumszámítógépek, melyek tényleges rizikót jelentenek. Erre nehéz válaszolni, természetesen léteznek már kvantum hardwarerek 1000 qubit fölött is, ezek azonban nem elég nagyok ahhoz, hogy tényleges fenyegetést jelentenek a jelenlegi pénzügyi infrastruktúrában használt kriptográfiára. További nehézséget okoz az, hogy qubitek mennyire futnak stabilan vagy hiba nélkül. A legtöbb szakértő azonban egyetért abban, hogy egy évtizeden belül a kvantumszámítógépek tényleges fenyegetést jelenthetnek. Tekintve, hogy mind a kriptográfia a pénzügyi infrastruktúra viszonylag lassan változó területek, nem korai felkészülni ezen kockázatok kezelésére.