הצפנה בטוחה קוונטית: איך ארגונים נערכים לאיום שיגיע מוקדם מהצפוי

תמונה: dreamstime

בתחום אבטחת הסייבר המתפתח ללא הרף של ימינו, להיות צעד אחד לפני האיומים הפוטנציאליים זהו אתגר מתמיד. איומים מתקדמים ומתמשכים (APT), תוכנות כופר ותוכנות מחיקה (wipers) הם רק חלק מהסיכונים שארגונים צריכים להתגונן מפניהם. יחד עם זאת, מחשוב קוונטי הוא אחד האתגרים המורכבים ומרחיקי הלכת ביותר הנראים באופק. אף שהוא אינו איום מיידי, האסטרטגיה של "collect now, decrypt later" מדגישה את הדחיפות בהיערכות לעתיד שבו תקני ההצפנה הנוכחיים עלולים להפוך למיושנים ולא מוגנים.

הודות ליכולתם לבצע חישובים מורכבים במהירות מעריכית הגבוהה מזו של מחשבים קלאסיים, מחשבים קוונטיים מבטיחים לחולל מהפכה בתחומים מדעיים רבים, כגון כימיה, פיזיקה ומדעי החומר. עם זאת, הם מהווים גם סיכון משמעותי כאשר הם נמצאים בידיים הלא נכונות עקב הפוטנציאל לפריצת שיטות ההצפנה של ימינו וחשיפת נתונים רגישים לגורמים זדוניים.

האיום על ההצפנה המסורתית

פרוטוקולי ההצפנה הנוכחיים כגון RSA ו-ECC אשר נעשה בהם שימוש בפרוטוקולים ב-HTTPS, SSH ו-IPsec VPNs, נשענים על הקושי בפירוק מספרים גדולים לגורמים ועל פתרון בעיות discrete logarithm. מחשבים קוונטיים, באמצעות אלגוריתמים מתקדמים כמו Shor's Algorithm, עשויים לפתור בעיות אלו ביעילות ובכך, להפוך את שיטות ההצפנה המסורתיות לפגיעות.

סביר להניח שמחשב קוונטי בעל יכולת לשבור הצפנה מודרנית עדיין לא יהיה זמין בשמונה עד עשר השנים הקרובות, אך פריצות דרך חדשניות מקצרות זמן זה בהתמדה. הבעיה המרכזית היא שגורמים עוינים כבר היום אוספים ושומרים מידע רגיש לצורך פענוח עתידי – תרחיש מציאותי שמדגיש את הצורך בצעדים פרואקטיביים להגנה מפני איומים פוסט-קוונטיים.

ככל שארגונים מכירים בסיכונים שמציב המחשוב הקוונטי, הצורך לאמץ אסטרטגיות הצפנה בטוחה קוונטית מעולם לא היה דחוף יותר. חששות לגבי האזנות סתר לכבלי סיבים אופטיים תת-ימיים וטכניקות יירוט נתונים אחרות, למשל, מחזקים את הצורך באבטחת ערוצי תקשורת כעת מפני איומים קוונטיים עתידיים.

הצפנה בטוחה קוונטית, או קריפטוגרפיה פוסט-קוונטית, מתייחסת לפרוטוקולים קריפטוגרפים שנועדו למנוע התקפות קוונטיות אלה. אך בניגוד להצפנה מסורתית, התלויה במורכבות חישובית, הצפנה בטוחה קוונטית מושרשת בבעיות מתמטיות שנחשבות כבלתי עבירות אפילו עבור מחשבים קוונטיים. דוגמאות לכך כוללות lattice-based cryptography,  hash-based cryptography ו-multivariate polynomial cryptography.

תמונה: dreamstime

מבוא ל-QKD

כדי להתמודד עם האיומים, ארגונים נדרשים לאמץ טכניקות הצפנה המותאמות לעידן הקוונטי. שלוש גישות מרכזיות נמצאות כיום במחקר ויישום:

Quantum Key Distribution (QKD): שימוש בעקרונות מכניקת הקוונטים לצורך הפצה מאובטחת של מפתחות סימטריים בסביבה בלתי מהימנה.

Quantum-Safe Encryption: טכניקות קנייניות המבטיחות חילופי מפתחות עמידים בפני התקפות קוונטיות.

Post-Quantum Cryptography (PQC): יישום אלגוריתמים חדשים, בעיקר מבוססי טכנולוגייתlattices שנחשבים קשים לפיצוח גם על ידי מחשב קוונטי.

QKD מבטיח שהאבטחה נשענת על חוקי הפיזיקה – חוקים שאינם ניתנים לשינוי. כפי שאמר סקוטי מהסרט "מסע בין כוכבים": "Ye cannae change the laws of physics".

QKD עושה שימוש בעקרונות מכניקת הקוונטים: שזירה קוונטית (Quantum Entanglement), עקרון אי-הוודאות של הייזנברג ואיסור השכפול (No-Cloning Theorem).

הוא מנצל תכונות בסיסיות אלו:
– מפתח קוונטי בצורת קיוביטים שזורים יכול להתקיים בשני מקומות בעת ובעונה אחת.
כ- ל ניסיון למדוד קיוביט משנה את מצבו ובכך מתגלה מיידית. המשמעות: לא ניתן להעתיק קיוביט.
– במונחים קריפטוגרפיים, הקיוביטים מועברים בין השולח (Alice) והמקבל (Bob), כאשר כל ניסיון של צד שלישי (Eve) – להאזין גורם להפרעה במצב הקוונטי, כך שאליס ובוב יכולים להתריע מיד על ניסיון חדירה.

קוראים חדי עין עשויים לשאול: "כיצד שינוי המצב הקוונטי מתרחש מיידית בשני מקומות מרוחקים? האם זה לא דורש מהירות גבוהה ממהירות האור?" זוהי אותה פעולה מרגיזה שעליה התלונן איינשטיין במכתבו הידוע למקס בורן:

"I cannot seriously believe in it because the theory cannot be reconciled with the idea that physics should represent a reality in time and space, free from spooky action at a distance."
(אלברט איינשטיין – מכתבי איינשטיין-בורן, 1947)

זהו רק אחד מהמאפיינים המוזרים של מכניקת הקוונטים, גם אם ההסבר המלא עדיין אינו מובן לחלוטין.

ובעולם האמיתי

למרות ההבטחה התיאורטית שלה, QKD עדיין מתמודדת עם אתגרים הקשורים למדרגיות, מרחק שידור ואינטגרציה עם תשתית קיימת. עם זאת, מחקר מתמשך והתקדמות טכנולוגית מתגברים בהתמדה על משוכות אלה.

דגמה מהעולם האמיתי שבוצעה לאחרונה על ידי JPMorgan Chase הציגה IPsec Tunnels במהירות גבוהה של 100 ג'יגה-ביט לשנייה, אשר מאובטחות קוונטית באמצעות QKD. הבדיקה נערכה בין שני מרכזי נתונים של JPMC בסינגפור וכיסתה למעלה מ-46 ק"מ של סיבים אופטיים לתקשורת והשיגה 45 ימי פעילות רצופים.

נבדקו שתי תצורות VPN:

– תצורת VPN TUNNEL יחידה אשר מאובטחת QKD עם קצב מרבי של 80 Gbps.
– תצורת ריבוי VPN TUNNELS, קרי 12 VPN TUNNEL  מאובטחי  QKD שכל אחד מספק  ‎8.39 Gbps ובסך הכול 99.62 Gbps.

הניסוי השתמש ב-QKD vendor ID להעברת מפתחות קוונטיים, מערכת חומת אש מסוג-FortiGate  4201F  לטובת הצפנה, ובמוצר FORTI-TESTER  למדידת ביצועים.

המרוץ לפתרונות קוונטיים-בטוחים

בתגובה לאיום המרחף של המחשוב הקוונטי, קהילת אבטחת הסייבר העולמית מפתחת באופן פעיל תקני הצפנה קוונטית-בטוחה. המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) בארה"ב הוביל את פרויקט התקינה של קריפטוגרפיה פוסט-קוונטית (Post-Quantum Cryptography Standardization) כדי להעריך ולתקנן אלגוריתמים עמידים-קוונטית. באמצעות בחירה קפדנית וניתוח קריפטוגרפי, NIST סוללת את הדרך לאימוץ נרחב של הצפנה קוונטית-בטוחה.

עם זאת, המעבר מהצפנה מסורתית לפתרונות קוונטיים-בטוחים מציב אתגרים, כולל יכולת פעולה הדדית (interoperability), השפעה על ביצועים ותאימות לאחור (backward compatibility). ארגונים חייבים להעריך בקפידה את תשתית ההצפנה שלהם וליצור תוכנית עבודה למעבר להצפנה עמידה-קוונטית.

ככל שאיומי הסייבר ממשיכים להתפתח, הבטחת האבטחה ארוכת הטווח של מידע רגיש היא בעלת חשיבות עליונה. הצפנה קוונטית-בטוחה מציעה גישה פרואקטיבית להפחתת סיכונים קוונטיים ולאבטחת נתונים קריטיים מפני מתקפות פענוח עתידיות. על ידי השקעה בפתרונות קוונטיים-בטוחים כיום, ארגונים יכולים להכין את תשתית ההצפנה שלהם לעתיד ולהבטיח חוסן מול התקדמויות טכנולוגיות מהירות. אף שהמעבר להצפנה קוונטית-בטוחה הוא מורכב, היתרונות של אבטחת נתונים רגישים עולים בהרבה על העלויות.

על ידי רתימת הכוח של אלגוריתמים קריפטוגרפיים עמידים-קוונטית וקידום טכנולוגיות QKD, אנו יכולים לאבטח את הנתונים שלנו מפני איומי העידן הקוונטי, אך אף גוף יחיד אינו יכול להתמודד עם אתגר זה לבדו. המעבר להצפנה קוונטית-בטוחה הוא מאמץ משותף הדורש תפוקה מחוקרים, קובעי מדיניות ומובילי תעשייה.

האתגר הוא ברור. ככל שהמחשוב הקוונטי ממשיך להתפתח, הזמן לפעול הוא עכשיו. הבטחת אבטחת הנתונים לעתיד דורשת מחויבות קולקטיבית לחדשנות, תקינה ואימוץ נהלי הצפנה קוונטית-בטוחה. יחד, אנו סוללים את הדרך לעתיד שבו אבטחת הנתונים חורגת מגבולות המחשוב הקלאסי ומבשרת על עידן חדש של תקשורת וקריפטוגרפיה קוונטית-בטוחה.

משה בן סימון הוא סמנכ"ל ניהול מוצר בפורטינט