In August 2022, US President Joe Biden signed into law the $280 billion CHIPS and Science Act, which dedicates around $500 million for the development of quantum networks along with additional funding for quantum research. It was yet another signal that the world’s leading economies see quantum communications, which leverage quantum physics to enhance security, as a strategic imperative.
Government funding for quantum communications has surged in recent years. Among China‘s massive commitments to quantum technologies—including the formation of a $10 billion national quantum laboratory and the launch, in 2016, of the first quantum satellite—is a 2,900-mile quantum network that combines over 700 optical fibers with two satellite-to-ground links. Europe’s Quantum Flagship initiative, worth more than $1 billion, was launched in 2018 with a ten-year timeline; 25% of the overall budget is set aside for quantum communications.
A necessidade dessas tecnologias é clara - e urgente. O resultado será um dilúvio de dados: de acordo com a IDC, a criação e a replicação global de dados saltarão de 64 zettabytes em 2020 para 181 Zettabytes até 2025 sozinho. Between smartphones, tablets, PCs, wearables, connected cars, smart homes, and industrial internet sensors, the installed base of connected devices will reach about 30 billion by 2030, according to Statista. The result will be a deluge of data: according to IDC, global data creation and replication will jump from 64 zettabytes in 2020 to 181 zettabytes by 2025 alone.
Todos esses dados precisarão ser protegidos. Enquanto isso, os atuais protocolos de criptografia pública correm o risco de ser quebráveis em menos de uma década.
Protocolos atuais de criptografia pública podem ser quebráveis em menos de uma década.
Felizmente, a revisão das tecnologias de segurança da comunicação já está em andamento, com o mercado combinado de comunicações clássicas e quânticas estimadas para atingir US $ 10 bilhões até 2030. Para capitalizar esse mercado de maio. Respostas
Shifting Threats, New Responses
Como o algoritmo de Shor surgiu em 1994, sabemos que dois principais protocolos de criptografia pública-RSA e Diffie-Hellman-acabariam sendo quebrados por computadores quânticos poderosos. Três décadas depois, esse momento de acerto de contas está se aproximando rapidamente. Dr. Michele Mosca, da Universidade de Waterloo, prevê que os computadores quânticos terão uma probabilidade de 50% de quebrar as teclas RSA-2048 altamente seguras até 2031.
Two major approaches, one classical and the other rooted in quantum technologies, have emerged in response.
Post-Quantum Cryptography, or PQC, is made up of cryptographic protocols that are secure against both quantum and classical computers. Atualmente sendo desenvolvido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), bem como agências na China, o PQC usa novos problemas matemáticos resistentes a ataques quânticos. Os protocolos são projetados para executar em computadores clássicos e redes existentes e geralmente podem ser aplicados como uma atualização de software. (Em alguns casos, a largura de banda ou o poder da unidade de processamento central também pode ser insuficiente, exigindo uma atualização de hardware.)
RSA foi considerado inquebrável - até que não era. Da mesma forma, os designers de protocolo PQC não podem garantir que um matemático inteligente não encontre uma fraqueza combinando computadores clássicos e quânticos. Devido a essa ameaça iminente, o PQC deve ser implementado com criptoagilidade - a capacidade de alternar rapidamente protocolos e certificados - se um novo ataque for descoberto. Existem dois pilares nessa abordagem:
Quantum Communications, meanwhile, use quantum technologies to secure communications. There are two pillars to this approach:
- Redes quânticas, incluindo distribuição quântica de chaves (QKD), são canais de comunicação nos quais qualquer ataque por um espionagem pode ser detectado. As informações são protegidas pela mecânica quântica; Como os estados quânticos entram em colapso quando medidos, os invasores que tentam escutar a comunicação deixarão um sinal revelador. As redes quânticas aproveitam essa propriedade para proteger o próprio canal de comunicação; QKD usa um canal para transmitir uma chave privada, garantindo uma comunicação clássica subsequente. Protocolos. (Consulte o Anexo 1.)
- Quantum random number generators, or QRNGs, are chips able to produce true random numbers—which attackers cannot guess—to generate highly secured keys in classical data encryption and decryption protocols.
While some observers advocate for one method over the other, the highest level of network security relies on a combination of classical and quantum approaches. (See Exhibit 1.)
O mercado de comunicações quânticas
While classical protocols involving postquantum cryptography will remain an important pillar in securing future communications, the real growth potential lies in quantum communications. Let’s examine the two technologies involved—and some potential applications—more closely.
Quantum Networks, Including QKD
Quantum networks are also referred to as a quantum internet. While the technology is still in the early stages, two uses stand out:
transmitindo dados com segurança. A maioria das comunicações é protegida por chaves públicas, também chamado de criptografia assimétrica. Primeiro, o remetente gera e envia uma chave pública com base em uma chave privada; Em seguida, o receptor criptografa a mensagem usando a chave pública; Finalmente, o remetente descriptografa a mensagem usando a chave privada.
Nesta abordagem, o invasor sempre pode tentar adivinhar a chave privada com base na chave pública. No caso da RSA, a chave privada está oculta nos principais fatores da chave pública - que um futuro computador quântico poderá faturar usando o algoritmo de Shor. A mensagem é então criptografada e transmitida em um canal clássico e inseguro. Um invasor precisaria adivinhar a chave privada da própria mensagem criptografada, o que é considerado impossível com chaves suficientemente grandes e protocolos de criptografia, como o padrão de criptografia avançado. O QKD funciona em torno das limitações das redes atuais (incluindo largura de banda e ruído limitados) transmitindo apenas uma chave pequena, que é um número codificado em 256 bits ou mais. (Consulte Anexo 2.)
QKD uses a symmetrical approach, where a shared private key is transmitted securely using the quantum communication channel. The message is then encrypted and transmitted on a classical and insecure channel. An attacker would need to guess the private key from the encrypted message itself, which is considered impossible with sufficiently large keys and cryptography protocols such as advanced encryption standard. QKD works around the limitations of current networks (including limited bandwidth and noise) by securely transmitting only a small key, which is a number encoded in 256 bits or more. (See Exhibit 2.)
Interconectando computadores quânticos. Os computadores quânticos acabarão sendo conectados da mesma forma que a Internet forneceu uma rede para computadores clássicos; No curto prazo, a tecnologia de rede quântica ajudará os computadores quânticos a escalarem, interconectando-os dentro de um computador (também conhecido como "interconexão QPU") e em racks de center de dados. A IBM planeja aproveitar as comunicações quânticas em seus computadores já em 2026, de acordo com o roteiro da empresa publicada em 2020. Quantum computers manipulate quantum states that can be carried over quantum-communications infrastructure without costly classical transcription. Quantum computers will eventually be networked together the same way the internet provided a network for classical computers; in the near term, quantum-networking technology will help quantum computers scale by interconnecting them inside a computer (also known as “QPU interconnect”) and in data-center racks. IBM plans to leverage quantum communications in their computers as early as 2026, according to the roadmap the company published in 2020.
Duas formas de transmissão podem ser usadas:
- baseado em fibra, mais relativa. Os primeiros ensaios comerciais foram conduzidos pela SK Telecom e ID Quantique em Seul e BT e Toshiba em Londres. No entanto, o modelo carrega altos gastos de capital, oferece janelas curtas para transferências de dados e funciona melhor durante a noite em céus claros. Empresas como Eutelsat Quantum e Speqtral objetivo de oferecer serviços comerciais em um futuro próximo. though limited today by distance (around 200 kilometers), is more reliable. The first commercial trials have been conducted by SK Telecom and ID Quantique in Seoul and BT and Toshiba in London.
- Free-space transmission, which includes satellites, can be used for long-distance transmission. However, the model carries high capital expenditures, offers short windows for data transfers, and functions best during nighttime in clear skies. Companies such as Eutelsat Quantum and SpeQtral aim to offer commercial service in the near future.
Inovações como repetidores quânticos e memória quântica devem reduzir gradualmente as limitações de corrente na distância e na largura de banda. (Veja Anexo 3.) No geral, essas implantações e inovações desbloquearão uma oportunidade de mercado mais ampla que crescerá em escala e atividade nos próximos dez anos. À medida que as ameaças à segurança crescem em número e sofisticação, a maioria dos dispositivos hoje tem o que está se tornando uma falha crítica: as chaves que eles usam são pseudorandom, o que significa que os números parecem aleatórios, mas vêm em uma ordem predeterminada. Como um contador de cartões em um cassino, um atacante inteligente poderia tentar adivinhar a próxima chave - forneceu o atacante que viu o suficiente das chaves que o sistema de destino gerou no passado. Independentemente dos números gerados pelo sistema no passado, é impossível para qualquer ator prever com precisão o próximo. (Consulte o Anexo 4.)
Quantum Random Number Generation
Both the current and new security protocols require random numbers to create the keys that encrypt digital communication. As security threats grow in number and sophistication, most devices today have what is becoming a critical flaw: the keys they use are pseudorandom, meaning the numbers look random but come in a predetermined order. Like a card counter in a casino, a clever attacker could try to guess the next key—provided the attacker has seen enough of the keys the target system has generated in the past.
QRNG technology eliminates that flaw by leveraging quantum properties to generate truly random numbers. Regardless of the numbers generated by the system in the past, it is impossible for any actor to accurately predict the next one. (See Exhibit 4.)
A tecnologia QRNG é pequena o suficiente para ser incorporada em chips de telefone celular. A Samsung já implantou o QRNG em smartphones premium usando a tecnologia ID Quantique. A tecnologia também pode gerar muitos números aleatórios por segundo-de 100 megabits por segundo até 18,8 gigabits por segundo, este último alcançado em 2021 pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China-que é necessário nos casos de uso da carga de trabalho do cliente-servidor.
The true randomness that QRNG achieves is useful in other applications. Instituições financeiras Confie em uma metodologia chamada simulação de Monte Carlo para avaliar preços e riscos de produtos como opções, títulos de renda fixa e derivativos da taxa de juros. O QRNG fornece números verdadeiramente aleatórios para essas simulações, melhorando a precisão da análise. A adoção do QRNG crescerá em muitas verticais, incluindo finanças e a Internet das Coisas (IoT), à medida que as organizações são desenhadas por esses casos de uso em evolução e a necessidade de gerenciar riscos de segurança aumentados. (Consulte Anexo 5.)
Industry experts expect QNRG to be deployed at scale as coprocessors or within system-on-chips. Adoption of QRNG will grow across many verticals, including finance and the Internet of Things (IoT), as organizations are drawn by these evolving use cases and the need to manage heightened security risks. (See Exhibit 5.)
Drivers of Quantum-Communications Adoption
We have identified three waves of adoption of quantum communications technologies:
- The first wave (2015 to 2025) is being driven by several factors: government funding and applications in the government and military sectors; the spread of commercial QKD; and growing penetration of QRNG chips in smartphones, tablets, PCs, and data centers.
- The second wave (2025 to 2030) will feature more adoption by private companies and a growing penetration of QRNG chips in IoT infrastructure and devices.
- The third wave (2030 and beyond) will be driven by the emergence of new or improved technologies such as repeaters, memories, and better error-correction algorithms, which will reduce current loss of signal quality and enable the deployment of a broad network.
The first and second waves will be significant to three priority sectors (see Exhibit 6):
Government and Defense. A handful of governments are leading current adoption and development as they invest billions of dollars to build infrastructures and jumpstart commercial activity in quantum communications. Mitigating the quantum threat is a top priority; in the US, for example, the Quantum Computing Cybersecurity Preparedness Act requires government data to be quantum resistant—a state that an organization could attain only through a combination of classical and quantum approaches—by 2035. The US Department of Energy, meanwhile, has piloted a trusted-node QKD system deployed at an electrical utility in Tennessee. The EU is funding a massive, continent-wide implementation through the Euro-QCI initiative, with links already operational in the Netherlands. And China is expected to retain its early leading position by means of public investments, feeding its local market and its own PQC standards, which will compete with NIST’s standards.
Tecnologia e telecomunicações. Tech e Telecom As empresas já estão oferecendo comunicações quânticas comerciais e principais esforços de padronização. SK Telecom e ID Quantique são participantes ativos de grupos de desenvolvimento de padrões como ITU-T, IEEE e ETSI. Inscreva -se
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SK Telecom oferece infraestrutura de rede QKD e segurança QKD, parceria com empresas em todo o mundo, como Equinix, Orange e Verizon. O QRNG-AS-A-Service é oferecido por provedores de nuvem como a Amazon Web Services (através de seu mercado) e a Telefónica Tech. O Alibaba adicionou o QRNG da ID Quantique aos seus serviços baseados em nuvem para melhorar a segurança das transações financeiras e está testando a tecnologia para outros serviços on-line. Dados financeiros sensíveis estão impulsionando a adoção pelas principais instituições financeiras. O JPMorgan Chase está em parceria com instituições acadêmicas para testar tecnologias quânticas, incluindo o QKD, para atender à necessidade de velocidade e segurança enquanto gerencia transações e dados. A empresa também contratou recentemente um líder para seu programa de criptografia quântica. E o Banco Industrial e Comercial da China e o Banco Popular da China estão usando o QKD operacional de próxima geração entre as cidades. Após mais de quatro décadas de estabilidade, graças à RSA e à Diffie-Hellman, governos, empresas e investidores devem se preparar para um futuro de comunicações quânticas e um novo nível de transferência de dados seguros. A criptografia pós-cantum e as comunicações quânticas poderiam substituir os protocolos de hoje até 2030, mas mais provavelmente até 2035; Todo governo e empresa precisarão implementar uma ou várias dessas tecnologias para manter as comunicações seguras.
In partnership with SK Telecom and ID Quantique, Samsung introduced the world's first 5G smartphone in 2020, complete with a QRNG chip for security.
Financial Institutions. The need to secure sensitive financial data is driving adoption by key financial institutions. JPMorgan Chase is partnering with academic institutions to test quantum technologies, including QKD, to meet the need for speed and security while managing transactions and data. The firm also recently hired a leader for its quantum cryptography program.
ABN AMRO and QuTech are creating an advanced system for next-generation QKD, which will secure the Dutch bank’s data. And the Industrial and Commercial Bank of China and the People’s Bank of China are using operational next-generation QKD between cities.
We are fast entering an era of cryptographic uncertainty. After more than four decades of stability thanks to RSA and Diffie-Hellman, governments, businesses, and investors must prepare for a future of quantum communications and a new level of secure data transfer. Post-quantum cryptography and quantum communications could replace today’s protocols as soon as 2030, but more likely by 2035; every government and company will need to implement one or several of these technologies to keep communications secure.
The stakes are high: secure cryptography underpinned $6.5 trillion of e-commerce in 2022, according to Statista, not to mention Cadeias de suprimentos , bancos on -line e muitas outras atividades comerciais que exigem a transmissão segura de dados. Ao entender as necessidades específicas de comunicação segura de cada setor e a maturidade das tecnologias que serão implantadas, os investidores podem capitalizar as próximas ondas de adoção de comunicações quânticas. Pesquisa.
The authors would like to thank Lucian Comandar of Amazon Web Services and Pauline Boucher of Quantonation for their contributions to this research.
