בתחילת מאי, פרסם הבית הלבן תזכיר המביע את מחויבותו לנסח אסטרטגיה רבתי שתנצל את היתרונות המדעיים והכלכליים של המחשוב הקוונטי ולקדם פתרונות לאתגרים ולאיומים הנשקפים ממנו. מהלכים אלו ואחרים באים על רקע התחרות הנערכת בין ארה"ב וסין על תפקיד המובילה העולמית בתחום המחשוב הקוונטי, תחרות ההולכת וגוררת, ועל רקע התחזיות בנושא התמורות שתחום זה צפוי לחולל. גם ישראל משקיעה בתחום המחשוב הקוונטי והודיעה לאחרונה על פיתוח מחשב קוונטי בסך 200 מיליון שקל. על מנת להבין את גודל המהפכה ואת הסיכונים הנלווים לה, יש להבין ראשית מהו בכלל המחשוב הקוונטי, כיצד הוא עשוי לשנות את עולם המחשוב והתקשורת ומה הסיכונים הכרוכים בו.
מהו מחשב קוונטי?
בשונה ממחשוב רגיל, מחשוב קוונטי מתייחס לניצול תופעות פיזיקליות מפיזיקת הקוונטים במטרה לבצע פעולות חישוביות. תופעות מרכזיות עבור המחשוב הקוונטי היא תופעת הסופרפוזיציה, במסגרתה עצם או ישות קוונטית יכולה להימצא במספר מצבים במקביל ותופעת השזירה הקוונטית, במסגרתה שני חלקיקים מקיימים קשר הדוק ומשפיעים זה על זה גם ממרחקים ארוכים. בעוד שמערכות מחשוב קיימות מעבדות מידע המתורגם לביטים בערכים של 1 או 0, תופעת הסופרפוזיציה מובילה לכך שבמצב כללי, ביטים קוונטיים, או קיוביטים, יכולים להכיל ערכים של 0 ו-1 בו-זמנית עד למדידתם, יכולת המאפשרת להם להכיל כמויות גדולות יותר של מידע מאשר ביטים רגילים.
הטמעתן של תופעות אלו במערכות מחשוב מאפשרת לבצע חישובים בצורה שונה מהאופן בו הם מתבצעים במערכות מחשוב קיימות, ובאופן זה לבצע חישובים מהירים לאין שיעור ממערכות קיימות. השימוש במחשוב קוונטי לטובת הרחבת יכולות העיבוד של מחשבים צפוי להוות תחליף לשיטת מזעור הטרנזיסטורים הנהוגה כיום. שיטה זו, שהובילה להכפלת מספר הטרנזיסטורים המותקנים על פני מעגלים משולבים כל שנה וחצי, תגיע בשנים הקרובות למיצוי עקב חוסר היכולת לפתח טרנזיסטור הקטן יותר מאטום. עם זאת, לצד היתרונות, ההטמעה של מחשבים קוונטיים צפויה להוביל למערך חדש של איומים, ביניהם איומי סייבר.
איומי סייבר הטמונים בשימוש במחשבים קוונטיים
בנושא היתרונות והסיכונים הטמונים במחשבים קוונטיים, עוד רב הנסתר על הגלוי. ככל שמחשבים קוונטיים יהוו פלטפורמה לפיתוח טכנולוגיות המחייבות יכולות חישוב גבוהות, כגון בינה מלאכותית, ניתן להעריך כי יכולת החישוב הנרחבת של מחשבים אלו תאפשר לפתח וליישם גם אלגוריתמים מורכבים, שעלולים להיות מנוצלים לשימוש זדוני. דוגמה לכך היא שימוש בבינה מלאכותית על מנת לייצר תוכנות זדוניות העוברות מוטציות וגורמות לשינוי קוד תכופים, המקשים על גילוין. דוגמאות לאיומים מסוג זה נצפו עד כה בעיקר במעבדות ניסוי ובמאמרים אקדמאיים, אולם יש לזכור כי פריצות דרך בתחום הבינה המלאכותית התרחשו, בין השאר, הודות לצמיחה בעוצמת העיבוד, עוצמה שצפויה להתגבר משמעותית הודות למחשוב הקוונטי.
עם זאת, מומחים חוזים כי האיום המרכזי הנשקף ממחשבים קוונטיים יבוא לידי ביטוי בתחומים בהם יש חשיבות למורכבות מתמטית, כגון שיטות ההצפנה הנמצאות היום בשימוש. שיטות הצפנה אלו מבוססות בעיות מתמטיות ועוצמתן נקבעת לפי מורכבותן, או מספר השנים שייקח למחשב לפצח אותן. לפיכך, מידת האבטחה של שיטות הצפנה מודרניות מסתמכת על כך שפענוח מפתח ההצפנה על-ידי גורם זדוני ייקח מאות ואף אלפי שנים. באופן ספציפי, מחשבים קוונטיים צפויים לסייע לתוקף לנחש מספרים ראשוניים המהווים בסיס לשיטת ההצפנה הא-סימטרית - שיטת הצפנה המסייעת להצפין מפתחות הצפנה בתחילת תהליך ההצפנה על מנת שלא להעבירם גלויים בין הצדדים המתקשרים. משכך, עלולים מחשבים קוונטיים לשמש לצורך פענוח מידע סודי עתידי וכן מידע מוצפן שנגנב בעבר.
מענים והיערכויות לפתרון סוגיית ההצפנה
האיום שהמחשוב הקוונטי מציב לפתרונות הצפנה הוביל להופעתם של מספר פתרונות הנמצאים כעת בתהליכי מחקר, פיתוח ותקנון. פתרון מרכזי, המכונה הצפנה קוונטית ונמצא כעת בתהליכי מחקר ופיתוח, הוא שידור של חלקיקי אור וקידוד מצב הקיטוב שלהם על-פי המספרים הבינאריים המוכרים מעולמות המחשוב, 0 ו-1. הייחודיות שבפתרון זה הוא שגורם זדוני שינסה ליירט את החלקיקים ולפענח את ההצפנה, יצטרך להעביר את החלקיקים במסננים מיוחדים, דבר שישנה את אופן הקיטוב שלהם ויחשוף את ניסיון היירוט בפני הצדדים המתקשרים.
פתרון מרכזי נוסף, הוא הצפנה פוסט-קוונטית, המבוססת על שיטות מתמטיות שונות, שלגביהן נטען שהן חסינות מפני פיצוח על-ידי מחשב קוונטי. מספר שיטות נמצאות כיום במחקר, ביניהן הצפנה מבוססת סריג, הצפנה מרובת משתנים ועוד. מספר תהליכים מתקיימים כיום ברחבי העולם במטרה לחקור ולבחון את שיטות ההצפנה החדשניות ולנסח תקנים שישמשו עבור כל מערכת מחשוב ואפליקציה בעולם. התהליך המרכזי הוא תהליך התקנון של המכון הלאומי האמריקני לתקנים וטכנולוגיה (NIST) שהחל ב-2016 וצפוי להסתיים ב-2024.
אתגרים בהיערכות וצעדים להמשך
על אף המענים המתגבשים, נראה כי קיימים מספר אתגרים העומדים בפני אימוץ פתרונות אלו. בהינתן שרבים ממאפייני המחשבים הקוונטיים אינם ידועים, קשה להעריך האם שיטות הצפנה אלו אכן יספקו חסינות מירבית. אתגר נוסף הוא הצורך לשלבן במערכות מחשוב קיימות ולשימוש נרחב, דבר שיחייב החלפת תשתיות, חומרה, מערכות הפעלה, פרוטוקולי תקשורת וכן שינוי תהליכים, מסמכי קווים מנחים ושיטות עבודה מומלצות. בנוסף, בעוד התחזיות חוזות שמחשבים קוונטיים יפותחו וייכנסו לשימוש נרחב רק במהלך העשורים הבאים, גם הטמעת פתרונות ההצפנה החלופיים צפויה להימשך עשרות שנים.
בהתחשב בעובדה שמדינות, ובהן המעצמות, נמצאות במרוץ לפיתוח מחשבים קוונטיים, בהתפתחויות שחלו במענים השונים ובאתגרים שביישומן, על מקבלי ההחלטות, ביניהם גם בישראל, לנסח אסטרטגיה מקיפה להכנת המשק לקראת אימוץ והטמעת המענים השונים, ולפעול למפות מראש את הענפים והתעשיות בהם יתמקד מאמץ ההיערכות לקראת אתגרי המחשוב הקוונטי.
הכותב הוא חוקר בכיר למדיניות ואסטרטגיית סייבר בסדנת יובל נאמן למדע, טכנולוגיה וביטחון באוניברסיטת תל-אביב. מאמר זה מבוסס על מחקר בנושא שבוצע בסדנה
