ถาม & ตอบกับนักวิจัยการเข้ารหัสหลังควอนตัมคอมพิวเตอร์ Jintai Ding

ถาม & ตอบกับนักวิจัยการเข้ารหัสหลังควอนตัมคอมพิวเตอร์ Jintai Ding

jumbo jili

คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจเป็น “คอมพิวเตอร์แห่งอนาคต” ตลอดกาล แต่ถ้า (หรือเมื่อ) กลายเป็นความจริง พลังที่แท้จริงของพวกมันอาจคุกคามความปลอดภัยของโครงสร้างพื้นฐานด้านเทคโนโลยีสารสนเทศของเรา การซื้อของออนไลน์ อีเมล และการอัปเดตซอฟต์แวร์อัตโนมัติใช้วิธีการเข้ารหัสคีย์สาธารณะเพื่อให้แน่ใจว่าธุรกรรมเหล่านั้นปลอดภัย วิธีหลักสองวิธีในการเข้ารหัสคีย์สาธารณะคือ RSA ซึ่งอิงตามอัลกอริธึมที่อาศัยความยากลำบากในการแยกตัวประกอบจำนวนมาก และการเข้ารหัสแบบเส้นโค้งวงรี (ECC) ซึ่งอิงตามโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ของเส้นโค้งวงรี แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถถอดรหัสระบบเข้ารหัสลับทั้งสองระบบได้อย่างรวดเร็ว ในเดือนตุลาคม University of Cincinnati ได้จัดการประชุมเกี่ยวกับการเข้ารหัสระดับนานาชาติกับผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมและรัฐบาลเพื่อแก้ไขปัญหานี้

สล็อต

Monica Heger แห่ง IEEE Spectrum ได้พูดคุยกับ Jintai Ding ประธานร่วมการประชุมและศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์ที่ University of Cincinnati เกี่ยวกับวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับปัญหาคอมพิวเตอร์ควอนตัม
IEEE Spectrum:อะไรคือปัญหาที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมก่อให้เกิดกับ cryptosystems ปัจจุบันของเรา?
Jintai Ding:ถ้าเรามีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีพลังเพียงพอ ในทางทฤษฎี มันสามารถทำลายระบบ RSA และ ECC ได้ ดังนั้นถ้าเรามีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ ระบบกุญแจสาธารณะก็จะเสร็จสิ้น
กุญแจสาธารณะมีความสำคัญในระบบการสื่อสารของเรา ในความเห็นส่วนตัวของฉัน การอัปเดตซอฟต์แวร์น่าจะเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด เมื่อคอมพิวเตอร์ของคุณได้รับการอัปเดตซอฟต์แวร์ จะรู้ได้อย่างไรว่ามาจาก Microsoft และไม่ใช่บุคคลอื่นที่แอบอ้างเป็น Microsoft คีย์สาธารณะใช้เพื่อรับรองความถูกต้อง ดังนั้นคอมพิวเตอร์ของคุณจึงมีวิธีบอกได้ว่ามาจาก Microsoft จริงหรือไม่ ดังนั้น ถ้ามีใครทำลายระบบสาธารณะนั้น ซึ่งก็คือ RSA พวกเขาก็สามารถส่งซอฟต์แวร์มาบอกคุณได้ว่านี่คือการอัปเดตซอฟต์แวร์จาก Microsoft และคอมพิวเตอร์ของคุณจะคิดว่ามันเป็นความจริง จากนั้นคอมพิวเตอร์ทั้งเครื่องของคุณก็จะถูกลบทิ้ง
Spectrum:คุณออกจากการประชุมโดยรู้สึกว่ามีวิธีแก้ไขปัญหานี้ได้ดีหรือไม่?
JD:ฉันจะไม่พูดว่า “วิธีแก้ปัญหา” เลย มีคนที่พยายามค้นหาระบบเข้ารหัสคีย์สาธารณะที่มีศักยภาพในการต่อต้านการโจมตีด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้นจึงมีสี่ด้านหลักที่กำลังพัฒนา และความแตกต่างก็คือพวกมันใช้โครงสร้างทางคณิตศาสตร์ต่างกัน
ด้านหนึ่งเป็นรหัสที่ใช้ซึ่งใช้ทฤษฎีของรหัสแก้ไขข้อผิดพลาด อีกวิธีหนึ่งคือแบบอิงแลตทิซ ซึ่งปัญหาคือการหาเวกเตอร์ที่สั้นที่สุดสำหรับแลตทิซ ซึ่งหมายความว่าเมื่อกำหนดจุดใดๆ ในอวกาศ คุณจะพบจุดที่ใกล้ที่สุดของแลตทิซจากจุดนั้น
นอกจากนี้ยังมีรูปแบบลายเซ็นที่ใช้แฮชซึ่งแตกต่างกันเล็กน้อย มันอาศัยความสามารถในการพัฒนาฟังก์ชันแฮชที่ปลอดภัย [ขั้นตอนสำหรับการสร้างหมายเลขเฉพาะตัวเดียวที่อธิบายชุดข้อมูลขนาดใหญ่] แต่นั่นก็เป็นเรื่องยาก
และอันสุดท้ายคือระบบกุญแจสาธารณะแบบหลายตัวแปร สมมติฐานด้านความปลอดภัยที่นี่คือชุดของสมการพหุนาม—เช่น กำลังสองไม่เชิงเส้น—แก้ได้ยากมาก
อย่างน้อยสี่ประเภทนี้สามารถต้านทานการโจมตีคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างน้อยก็ชั่วขณะหนึ่ง
Spectrum:ทำไมคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่สามารถถอดรหัสสี่ระบบนี้ได้
JD:ในกรณีของพหุตัวแปร ซึ่งเป็นพื้นที่ของการวิจัยของฉัน ปัญหานี้ในการแก้ปัญหาระบบพหุนามที่สร้างแบบสุ่มควรจะเป็น NP-complete เป็นการยากที่จะอธิบายว่า NP-complete หมายถึงอะไร แต่ก็หมายความว่ายากมาก มันคือเลขชี้กำลัง หมายความว่าเมื่อขนาดของปัญหาเพิ่มขึ้น เวลาในการแก้ปัญหาก็จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ และคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังไม่สามารถเอาชนะปัญหาประเภท NP-complete ได้
อื่น ๆ มีความคล้ายคลึงกัน แต่ระบบที่ใช้แฮชจะแตกต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากการออกแบบฟังก์ชันแฮชเป็นงานศิลปะเล็กน้อย เราออกแบบมัน แต่ทำไมมันถึงปลอดภัย? เราเชื่อว่ามันเป็น; เรารู้สึกได้ แต่มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับปัญหาทางคณิตศาสตร์ที่ยากเพียงปัญหาเดียว
Spectrum:ใน 4 ด้านนั้น คุณคิดว่ามีแนวโน้มดีที่สุดหรือไม่?
JD:ไม่ ฉันไม่สามารถระบุพื้นที่ได้จริงๆ ทั้งสี่ระบบนี้ต่างกันมาก และแต่ละระบบก็มีข้อดีและข้อเสียต่างกันไป ตัวอย่างเช่น ในกรณีของระบบหลายตัวแปร เราพบว่าอัลกอริธึมเหล่านั้นรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากเมื่อเทียบกับ RSA
นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่ Johannes Buchmann ซึ่งเป็นประธานร่วมการประชุมจาก Technische Universität Darmstadt ของเยอรมนีกำลังพูดถึงในการบรรยายของเขาในการประชุม ในอีกด้านหนึ่ง โพสต์ควอนตัม หมายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมปรากฏขึ้น แต่ในทางกลับกัน มันสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นอุปมา เพราะบางทีเราอาจไม่ต้องการคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อทำลาย RSA ไม่ว่าในกรณีใดเราต้องเตรียมพร้อมเพราะเราใช้ RSA ทุกวัน
Spectrum:คือควอนตัมการเข้ารหัสความเป็นไปได้หรือไม่?
JD:ใช่ แน่นอนการเข้ารหัสควอนตัมเป็นไปได้ แต่ในความเห็นส่วนตัวของฉัน การเข้ารหัสด้วยควอนตัมนั้นใช้งานยากเล็กน้อยเนื่องจากความต้องการทางกายภาพ มันค่อนข้างแพง และในการเข้ารหัสด้วยควอนตัม พวกเขาใช้โฟตอนเหนือเส้นออปติคัลสำหรับการแลกเปลี่ยนคีย์ อย่างไรก็ตาม โฟตอนมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพ ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถถ่ายทอดได้ไกลนัก ดังนั้นฉันจึงไม่คิดว่าจะถูกใช้อย่างรวดเร็ว
นอกจากนี้ยังมีปัญหาร้ายแรงอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับการเข้ารหัสด้วยควอนตัม นั่นคือการรับรองความถูกต้อง ฉันหมายถึง ฉันกำลังคุยกับคุณ และคุณเชื่อว่าฉันคือ Jintai Ding แต่คุณไม่สามารถยืนยันได้ ระบบการเข้ารหัสควอนตัมยังไม่สามารถยืนยันได้—ไม่สามารถแน่ใจได้ว่าเมื่อคุณมาหาฉัน ก็คือฉันเอง
ในระบบเข้ารหัสคีย์สาธารณะ คีย์สาธารณะช่วยให้เราตรวจสอบได้ แต่แน่นอนว่ามีศักยภาพในการเข้ารหัสควอนตัม มีคนจำนวนมากที่ทำงานในพื้นที่นี้
Spectrum:คุณคิดว่ากรอบเวลาจริงเป็นอย่างไรเมื่อเราเห็นการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม
JD:มีความคิดเห็นมากมาย มีคนที่เชื่อว่าพวกเขาจะมาในอีก 10 ถึง 20 ปี มีคนที่เชื่อว่าพวกเขาจะมาในอีก 50 ปี มีคนที่เชื่อว่าพวกเขาจะไม่มีวันมา

สล็อตออนไลน์

การทดสอบประกอบด้วยระบบวิชันซิสเต็มสามระบบ (ResNet-50, SSD และ Mask R-CNN) ตัวประมวลผลภาษาธรรมชาติ (BERT) เครือข่ายการแปลภาษาอังกฤษเป็นภาษาเยอรมัน 2 เครือข่าย (NMT และ Transformer) ระบบแนะนำ (DLRM) และการเรียนรู้การเสริมแรงของเครือข่ายที่เล่นไป
แต่ละระบบมีความแตกต่างกันด้วยจำนวนของตัวเร่งความเร็วTPU V4 และการทดสอบถูกวัดเป็นนาทีที่จำเป็นในการฝึกให้เสร็จสิ้น (ยิ่งต่ำยิ่งดี)
บริษัทใช้โครงสร้างพื้นฐาน TPU สำหรับ AI ของตัวเอง และยังให้เช่าให้กับลูกค้า Google Cloud บริษัทคลาวด์ขนาดใหญ่อื่นๆ เช่น Amazon และ Microsoft ได้ปรับใช้หรือกำลังทำงานบนชิป AI ของตนเอง บริษัทชิป AI อื่นๆ อีกหลายแห่งได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์ที่มีเป้าหมายเพื่อลูกค้าที่ต้องการระบบที่ใช้ศูนย์ข้อมูล เมื่อเร็วๆ นี้ Cerebras ให้รายละเอียดเกี่ยวกับระบบรุ่นที่สองที่มีทรานซิสเตอร์ 1.4 ล้านล้านตัวสำหรับการประมวลผลประสิทธิภาพสูง ซึ่งขับเคลื่อนโดยชิปตัวเดียวที่ใหญ่ที่สุดในโลก บริษัทอื่นๆ เช่นSamba NovaและGraphcoreมีมูลค่าถึงพันล้านดอลลาร์แล้ว
ผลการศึกษาใหม่พบว่า ลูกพี่ลูกน้อง 2 มิติของหน่วยความจำแฟลชไม่เพียงเร็วกว่าประมาณ 5,000 เท่า แต่ยังจัดเก็บข้อมูลได้หลายบิต แทนที่จะเป็นเพียงเลขศูนย์และอีกตัวหนึ่งเท่านั้น
แฟลชไดรฟ์ ฮาร์ดดิสก์ เทปแม่เหล็ก และหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนรูปแบบอื่นๆ ช่วยจัดเก็บข้อมูลแม้หลังจากถอดปลั๊กแล้ว จุดอ่อนที่สำคัญประการหนึ่งของอุปกรณ์เหล่านี้คือความมักช้า โดยทั่วไปต้องใช้เวลาอย่างน้อยหลายร้อยไมโครวินาทีในการเขียนข้อมูล ซึ่งมีขนาดยาวกว่าอุปกรณ์ที่ผันผวนเล็กน้อย
ขณะนี้นักวิจัยได้พัฒนาหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนซึ่งใช้เวลาเพียงนาโนวินาทีในการเขียนข้อมูล ทำให้เร็วกว่าหน่วยความจำแฟลชเชิงพาณิชย์หลายพันเท่าและรวดเร็วพอๆ กับRAM แบบไดนามิกที่พบในคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ พวกเขามีรายละเอียดผลการวิจัยของพวกเขาออนไลน์ในเดือนนี้ในวารสารเนเจอร์นาโนเทคโนโลยี
อุปกรณ์ใหม่นี้ทำขึ้นจากวัสดุ 2 มิติที่บางเฉียบเป็นชั้นๆ การวิจัยก่อนหน้านี้พบว่าเมื่อชั้นวัสดุที่แตกต่างกันอย่างน้อยสองชั้นบางอะตอมวางทับกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่เรียกว่าเฮเทอโรโครงสร้าง คุณสมบัติของไฮบริดแบบใหม่สามารถเกิดขึ้นได้ ชั้นเหล่านี้มักถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงไฟฟ้าอ่อน ๆ ที่เรียกว่าปฏิกิริยา Van der Waalsซึ่งเป็นแรงเดียวกับที่ทำให้เทปกาวเหนียวเหนอะหนะ
นักวิทยาศาสตร์จาก สถาบันฟิสิกส์แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีนในกรุงปักกิ่งและเพื่อนร่วมงานของพวกเขาตั้งข้อสังเกตว่าในที่สุดหน่วยความจำที่ใช้ซิลิกอนจะถูก จำกัด ความเร็วเนื่องจากข้อบกพร่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในฟิล์มซิลิคอนบางเฉียบที่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง พวกเขาให้เหตุผลว่าโครงสร้าง heterostructure แบนราบของ van der Waals สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าวได้

jumboslot

นักวิจัยได้ประดิษฐ์โครงสร้าง heterostructure ของ van der Waals ซึ่งประกอบด้วยชั้นสารกึ่งตัวนำอินเดียมซีลีไนด์ ชั้นฉนวนโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม และชั้นกราฟีนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหลายชั้นซึ่งวางอยู่บนเวเฟอร์ของซิลิคอนไดออกไซด์และซิลิคอน พัลส์แรงดันไฟฟ้าที่มีระยะเวลาเพียง 21 นาโนวินาทีสามารถฉีดประจุไฟฟ้าลงในกราฟีนเพื่อเขียนหรือลบข้อมูล พัลส์เหล่านี้มีความแรงพอๆ กับที่ใช้เขียนและลบในหน่วยความจำแฟลชเชิงพาณิชย์
นอกจากความเร็วแล้ว คุณสมบัติหลักของหน่วยความจำใหม่นี้คือความเป็นไปได้ในการจัดเก็บข้อมูลแบบหลายบิต อุปกรณ์หน่วยความจำทั่วไปสามารถจัดเก็บข้อมูลได้เล็กน้อย ไม่ว่าจะเป็นศูนย์หรือหนึ่ง โดยการสลับระหว่างสถานะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงและสถานะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าอุปกรณ์ใหม่ของพวกเขาสามารถจัดเก็บข้อมูลได้หลายบิตในทางทฤษฎีด้วยสถานะทางไฟฟ้าหลายสถานะ โดยแต่ละสถานะจะเขียนและลบโดยใช้ลำดับพัลส์แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน
“หน่วยความจำสามารถมีประสิทธิภาพมากขึ้นได้มากเมื่ออุปกรณ์เครื่องเดียวสามารถเก็บข้อมูลได้มากขึ้น ซึ่งช่วยสร้างสถาปัตยกรรมหน่วยความจำที่หนาแน่นและหนาแน่นขึ้น” Deep Jariwala วิศวกรไฟฟ้าจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยนี้กล่าว
นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าอุปกรณ์ของพวกเขาสามารถจัดเก็บข้อมูลได้เป็นเวลา 10 ปี พวกเขาสังเกตเห็นว่ากลุ่มชาวจีนอีกกลุ่มหนึ่งเพิ่งประสบความสำเร็จในผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันด้วยโครงสร้าง heterostructure ของ van der Waals ที่ทำจากโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม และกราฟีนหลายชั้น
คำถามสำคัญในตอนนี้คือว่านักวิจัยสามารถสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวในเชิงพาณิชย์ได้หรือไม่ “นี่คือจุดอ่อนของอุปกรณ์เหล่านี้ส่วนใหญ่” Jariwala กล่าว “เมื่อพูดถึงการใช้งานจริง ความสามารถในการปรับขนาดและความสามารถในการรวมอุปกรณ์เหล่านี้เข้ากับโปรเซสเซอร์ซิลิคอนถือเป็นปัญหาที่ท้าทายจริงๆ”
ลองนึกภาพว่าสามารถอ่านหนังสือทั้งเล่มได้ในหนึ่งวินาที แต่ได้รับหน้าทีละหน้าในช่วงเวลาหนึ่งนาทีเท่านั้น สิ่งนี้เปรียบได้กับความฉิบหายของซูเปอร์คอมพิวเตอร์
โปรเซสเซอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถรองรับข้อมูลจำนวนมหาศาลต่อวินาที แต่การไหลของข้อมูลระหว่างโปรเซสเซอร์และระบบย่อยของคอมพิวเตอร์นั้นแทบไม่มีประสิทธิภาพเท่าที่ควร ทำให้เกิดคอขวดในการถ่ายโอนข้อมูล เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยกลุ่มหนึ่งได้คิดค้นการออกแบบระบบที่เกี่ยวข้องกับเครือข่ายที่กำหนดค่าใหม่ได้ที่เรียกว่า FLEET ซึ่งอาจเพิ่มความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลได้ถึง 100 เท่า การออกแบบเบื้องต้นเป็นส่วนหนึ่งของ“DARPA แข็งโครงการ” อธิบายไว้ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวันที่ 30 เดือนเมษายนในIEEE อินเตอร์เนทคอมพิวเตอร์
การ์ดอินเทอร์เฟซเครือข่ายเป็นส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ที่สำคัญที่เชื่อมโยงคอมพิวเตอร์กับเครือข่าย ซึ่งอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนข้อมูล อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบเหล่านี้ในปัจจุบันล้าหลังโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ในแง่ของความรวดเร็วในการจัดการข้อมูล
“โปรเซสเซอร์และเครือข่ายออปติคัลทำงานที่เทราบิตต่อวินาที (Tbps) แต่อินเทอร์เฟซเครือข่าย [ปัจจุบัน] ที่ใช้ในการถ่ายโอนข้อมูลเข้าและออกมักจะทำงานในช่วงกิกะบิตต่อวินาที” Seth Robertson หัวหน้านักวิทยาศาสตร์การวิจัยของPeraton Labs อธิบาย (ก่อนหน้านี้มีชื่อว่า Perspecta Labs) ที่ได้ร่วมเป็นผู้นำการออกแบบของ FLEET
ส่วนหนึ่งของการแก้ปัญหาของทีมคือการพัฒนา Optical Network Interface Cards (O-NIC) ซึ่งสามารถเสียบเข้ากับฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ได้ ในขณะที่การ์ดอินเทอร์เฟซเครือข่ายแบบเดิมมักมีพอร์ตเดียว O-NIC ที่ออกแบบใหม่จะมีพอร์ตสองพอร์ตและสามารถรองรับการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างส่วนประกอบย่อยของคอมพิวเตอร์ประเภทต่างๆ ได้ O-NIC เชื่อมต่อกับสวิตช์แบบออปติคัล ซึ่งช่วยให้ระบบกำหนดค่าการไหลของข้อมูลใหม่ได้อย่างรวดเร็วตามต้องการ

slot

Fred Douglis หัวหน้านักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ Peraton Labs และผู้ตรวจสอบร่วมของ FLEET อธิบายว่า “การเชื่อมต่อสามารถแก้ไขได้ก่อนหรือระหว่างการดำเนินการเพื่อให้ตรงกับอุปกรณ์ต่างๆ เมื่อเวลาผ่านไป เขาเปรียบแนวคิดนี้กับ Grand Staircase ที่เคลื่อนที่ไปมาในโรงเรียนฮอกวอตส์ของ Harry Potter “ลองนึกภาพบันไดของฮอกวอตส์ถ้าปรากฏอยู่เสมอเหมือนกับที่คุณจำเป็นต้องเดินไปในที่ใหม่ๆ” เขากล่าว
เพื่อสนับสนุนการกำหนดค่าใหม่ นักวิจัยได้ออกแบบโปรแกรมวางแผนซอฟต์แวร์ใหม่ที่กำหนดการกำหนดค่าที่ดีที่สุดและปรับการไหลของข้อมูลตามลำดับ “ในด้านซอฟต์แวร์ นักวางแผนที่สามารถใช้ประโยชน์จากความยืดหยุ่นนี้ได้จริงเป็นสิ่งสำคัญในการตระหนักถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพที่เราคาดหวัง” Douglis เน้นย้ำ “โทโพโลยีที่หลากหลายสามารถส่งผลให้มีข้อมูลหลายสิบเทราบิตในการบินในช่วงเวลาที่กำหนด”

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , . Bookmark the permalink.