Diterbitkan: 01 Desember 2023
Kontributor: Josh Schneider, Ian Smalley
Kriptografi quantum (juga dikenal sebagai enkripsi quantum) mengacu kepada berbagai metode keamanan siber untuk mengenkripsi dan mentransmisikan data yang aman berdasarkan hukum mekanika quantum yang terjadi secara alami dan tidak dapat diubah. Meskipun masih dalam tahap awal, enkripsi quantum memiliki potensi untuk menjadi jauh lebih aman daripada jenis algoritme kriptografi sebelumnya dan bahkan secara teoritis tidak dapat diretas.
Tidak seperti kriptografi tradisional, yang dibangun di atas matematika, kriptografi quantum dibangun di atas hukum fisika. Secara khusus, kriptografi quantum bergantung pada prinsip-prinsip unik mekanika quantum:
- Partikel pada dasarnya tidak pasti: Pada tingkat quantum, partikel dapat secara bersamaan berada di lebih dari satu tempat atau lebih dari satu kondisi keberadaan pada saat yang sama, dan tidak mungkin untuk memprediksi kondisi quantum yang tepat.
- Foton dapat diukur secara acak dalam posisi biner: Foton, partikel terkecil dari cahaya, dapat diatur untuk memiliki polaritas tertentu, atau putaran, yang dapat berfungsi sebagai pasangan biner untuk angka satu dan nol pada sistem komputasi klasik.
- Sistem quantum tidak dapat diukur tanpa diubah: Menurut hukum fisika quantum, tindakan dasar mengukur atau bahkan mengamati sistem quantum akan selalu memiliki efek terukur pada sistem tersebut.
- Partikel dapat dikloning sebagian, tetapi tidak seluruhnya: Meskipun sifat-sifat sebagian partikel dapat dikloning, namun kloning 100% diyakini mustahil dilakukan.
Pentingnya kriptografi quantum safe dalam ekonomi digital—diperbarui dengan peta jalan IBM Quantum Safe.
Berlangganan Buletin IBM
Sampai saat ini, enkripsi data tradisional umumnya cukup untuk menjaga komunikasi yang aman di sebagian besar pengaturan keamanan siber . Namun, munculnya komputasi quantum menimbulkan ancaman eksistensial bahkan terhadap algoritma kriptografi tradisional yang paling aman sekalipun.
Seperti halnya kriptografi quantum, komputasi quantum adalah teknologi yang muncul dengan cepat yang juga memanfaatkan hukum mekanika quantum. Dibandingkan dengan komputer klasik tercepat dan termutakhir, komputer quantum memiliki potensi untuk memecahkan masalah kompleks dengan lebih cepat.
Ahli matematika Peter Shor pertama kali menggambarkan ancaman yang ditimbulkan komputer quantum terhadap sistem keamanan tradisional pada tahun 1994. Sistem kriptografi saat ini dapat dibagi menjadi dua kategori utama, sistem simetris, yang menggunakan satu kunci rahasia untuk mengenkripsi dan mendekripsi data, dan sistem asimetris, yang menggunakan kunci publik yang dapat dibaca oleh semua orang dan kunci pribadi yang hanya dapat diakses oleh pihak-pihak tertentu. Kedua jenis kriptosistem ini membuat kunci-kunci ini dengan mengalikan bilangan prima yang besar dan mengandalkan daya komputasi besar yang diperlukan untuk memfaktorkan bilangan besar untuk memastikan bahwa kunci enkripsi ini tidak dapat dipecahkan oleh penyadap atau peretas.
Bahkan superkomputer yang paling kuat di dunia pun akan membutuhkan ribuan tahun untuk memecahkan algoritme enkripsi modern seperti Advanced Encryption Standard (AES) atau RSA secara matematis. Menurut Algoritma Shor, memfaktorkan angka yang besar pada komputer klasik akan membutuhkan daya komputasi yang sangat besar sehingga seorang peretas membutuhkan waktu seumur hidup untuk mendekatinya, tetapi komputer quantum yang berfungsi penuh-seandainya disempurnakan—berpotensi untuk menemukan solusinya hanya dalam hitungan menit.
Untuk alasan ini, kasus penggunaan untuk kriptografi quantum tidak terbatas seperti halnya kasus penggunaan untuk semua bentuk kriptografi. Jika ada sesuatu dari informasi perusahaan hingga rahasia negara yang harus dijaga keamanannya, ketika komputasi quantum membuat algoritma kriptografi yang ada menjadi usang, kriptografi quantum mungkin menjadi satu-satunya jalan untuk mengamankan data pribadi. Karena ilmuwan komputer di seluruh dunia bekerja siang dan malam untuk mengembangkan teknologi quantum praktis, sangat penting bagi kita untuk juga mengembangkan bentuk-bentuk kriptografi baru untuk mempersiapkan era komputasi quantum. Meskipun komputer quantum pernah dianggap hanya sebagai teori, para pakar memperkirakan bahwa kita mungkin hanya tinggal 20 hingga 50 tahun lagi untuk sepenuhnya memasuki era quantum.
Awalnya diteorikan pada tahun 1984 oleh Charles H. Bennett (dari Pusat Penelitian Thomas J. Watson IBM) dan Gilles Brassard, distribusi kunci quantum (QKD) adalah jenis kriptografi quantum yang paling umum. Sistem QKD biasanya tidak digunakan untuk mengenkripsi data yang aman, tetapi untuk membuat pertukaran kunci yang aman antara dua pihak dengan secara kolaboratif membangun kunci pribadi bersama yang pada gilirannya dapat digunakan untuk metode enkripsi kunci simetris tradisional.
Sistem QKD bekerja dengan mengirimkan partikel cahaya foton individu melintasi kabel serat optik. Aliran foton ini bergerak dalam satu arah dan masing-masing mewakili satu bit, atau qubit, data—entah nol atau satu. Filter terpolarisasi pada sisi pengirim mengubah orientasi fisik setiap foton ke posisi tertentu, dan penerima menggunakan dua pemisah sinar yang tersedia untuk membaca posisi setiap foton saat diterima. Pengirim dan penerima membandingkan posisi foton yang dikirim dengan posisi yang diterjemahkan, dan set yang cocok menjadi kuncinya.
Untuk lebih memahami QKD, bayangkan dua orang, Alice dan Bob, yang perlu membuat koneksi yang aman. Mereka dapat menggunakan QKD untuk membuat kunci kriptografi yang aman dengan mengirimkan foton terpolarisasi melalui kabel serat optik. Kabel tidak perlu diamankan, karena setiap foton akan memiliki keadaan quantum yang diacak. Jika seseorang, sebut saja Eve, menguping, Alice dan Bob akan selalu bisa mengetahuinya karena mustahil untuk mengamati keadaan quantum tanpa ikut mempengaruhinya. Dengan cara ini, sistem QKD dianggap tidak dapat diretas. Jika Bob dan Alice mendeteksi perubahan keadaan quantum foton, mereka akan tahu bahwa Eve sedang menguping. Dan jika Eve menguping, Bob dan Alice akan selalu dapat mendeteksinya.
Meskipun manfaat QKD telah terbukti baik di laboratorium maupun di lapangan, terdapat banyak tantangan praktis yang menghambat adopsi secara luas, terutama persyaratan infrastruktur. Foton yang dikirim melalui kabel serat optik mengalami degradasi pada jarak sekitar 248 hingga 310 mil. Namun, kemajuan terbaru telah memperluas jangkauan beberapa sistem QKD di seluruh benua melalui penggunaan simpul aman dan repeater foton.
Quantum coin-flipping adalah sebuah jenis primitif kriptografi (semacam blok bangunan untuk algoritma) yang memungkinkan dua pihak yang tidak saling mempercayai untuk menyepakati serangkaian parameter. Bayangkan jika Bob dan Alice sedang berbicara di telepon dan ingin bertaruh pada lemparan koin, tetapi hanya Bob yang memiliki akses ke koin. Jika Alice bertaruh kepala, bagaimana dia bisa yakin bahwa Bob tidak akan berbohong dan mengatakan bahwa koin itu mendarat di ekor, bahkan jika koin itu mendarat di kepala?
Jenis taruhan 50:50 ini dapat dicapai dengan Bob mengirim Alice serangkaian foton yang terpolarisasi berdasarkan salah satu dari dua orientasi dan mencatat putaran spesifik setiap foton sebagai satu atau nol, serta filter yang dia gunakan untuk mengatur polaritasnya. Alice kemudian dapat menebak filter mana yang akan digunakan untuk membaca polarisasi setiap foton, dan dari sini, ia dapat membandingkan pembacaannya dengan notasi Bob dan menebak apakah Bob memilih satu set polaritas atau yang lain. Jika salah satu dari Bob atau Alice mencurigai pasangannya melakukan kecurangan, mereka dapat membandingkan pembacaan yang dilakukan oleh filter polarisasi untuk otentikasi.
Para peneliti terus mengeksplorasi jenis-jenis kriptologi quantum tambahan yang menggabungkan enkripsi langsung, tanda tangan digital, belitan quantum, dan bentuk-bentuk komunikasi quantum lainnya. Jenis enkripsi quantum lainnya termasuk yang berikut ini:
- Kriptografi quantum berbasis posisi
- Kriptografi quantum yang tidak bergantung pada perangkat
- Protokol Kek
- Protokol Y-00
Menurut National Institute of Standards and Technology (NIST ) (tautan berada di luar ibm.com), tujuan dari kriptografi pasca-quantum (PQC, juga disebut tahan-quantum atau aman-quantum) adalah untuk "mengembangkan sistem kriptografi yang aman dari komputer quantum dan komputer klasik, serta dapat beroperasi dengan protokol dan jaringan komunikasi yang sudah ada."
Jangan bingung dengan kriptografi quantum, yang bergantung pada hukum alam fisika untuk menghasilkan kriptosistem yang aman, algoritma kriptografi pasca-quantum menggunakan berbagai jenis kriptografi untuk menciptakan keamanan tahan quantum. Ini adalah enam bidang utama kriptografi quantum aman:
- Kriptografi berbasis kisi
- Kriptografi multivariat
- Kriptografi berbasis hash
- Kriptografi berbasis kode
- Kriptografi berbasis isogeni
- Resistensi quantum kunci simetris
Ketika data sensitif organisasi Anda diakses, disimpan, dan ditransmisikan di lingkungan hybrid dan multicloud, perlindungan yang luar biasa diperlukan untuk menjaganya tetap aman. Solusi kriptografi IBM menggabungkan teknologi, konsultasi, integrasi sistem, dan layanan keamanan terkelola untuk membantu memastikan ketangkasan kripto, keamanan Quantum, serta tata kelola dan kebijakan risiko yang solid.
Teknologi IBM Quantum Safe adalah seperangkat alat, kemampuan, dan pendekatan yang komprehensif untuk mengamankan perusahaan Anda untuk masa depan quantum. Gunakan teknologi IBM Quantum Safe untuk menggantikan kriptografi yang berisiko dan mempertahankan visibilitas serta kontrol yang berkelanjutan atas seluruh postur keamanan siber Anda.
Mempertahankan keamanan mainframe dalam lanskap ancaman yang terus berkembang adalah sebuah tantangan. Keamanan IBM Z® dan LinuxONE dapat mengatasi tantangan ini—sekarang dan di masa depan dengan perlindungan yang komprehensif, mulai dari keamanan data hingga deteksi ancaman, sekaligus beradaptasi dengan peraturan terbaru.
Lindungi data Anda dan modernisasi kriptografi Anda untuk era quantum.
Walid Rjaibi berbagi perspektifnya tentang keamanan quantum dan memberi kita pandangan mendalam tentang risiko keamanan yang ditimbulkannya, bagaimana para peneliti mengatasi risiko tersebut, dan bagaimana kebijakan dapat (atau harus) bergeser untuk mewujudkan standardisasi.
Kriptografi adalah praktik mengembangkan dan menggunakan algoritma kode untuk melindungi dan mengaburkan informasi yang dikirimkan sehingga hanya dapat dibaca oleh mereka yang memiliki izin dan kemampuan untuk mendekripsinya.
Enkripsi data adalah cara menerjemahkan data dari plaintext (tidak terenkripsi) ke ciphertext (terenkripsi). Pengguna dapat mengakses data terenkripsi dengan kunci enkripsi dan data yang didekripsi dengan kunci dekripsi.
Kriptografi yang aman secara quantum mengamankan data, akses, dan komunikasi yang sensitif untuk era komputasi quantum.