Một rủi ro chưa xuất hiện nhưng đã cần được xử lý
Máy tính lượng tử thường được nhắc đến qua khả năng mô phỏng vật chất, tối ưu hóa hoặc giải quyết một số bài toán mà máy tính cổ điển xử lý rất chậm. Tuy nhiên, một trong những tác động thực tế và cấp thiết nhất của công nghệ này lại nằm ở an toàn thông tin. Khi một máy tính lượng tử đủ lớn, đủ ổn định và có khả năng sửa lỗi tốt được xây dựng, một số phương pháp mật mã đang bảo vệ giao dịch, kết nối mạng và kho dữ liệu hiện nay có thể không còn an toàn như trước.
Điều đó không có nghĩa mọi hệ thống sẽ bị phá vỡ ngay khi máy tính lượng tử đầu tiên hoạt động. Khoảng cách từ các nguyên mẫu hiện nay đến một hệ thống có thể tấn công mật mã quy mô lớn vẫn rất đáng kể. Dù vậy, dữ liệu được mã hóa hôm nay có thể bị kẻ tấn công sao chép, lưu trữ và chờ đến thời điểm công nghệ đủ mạnh để giải mã. Kịch bản này thường được gọi là “thu thập trước, giải mã sau”. Với thông tin có giá trị trong nhiều năm, việc chờ đợi đến khi mối đe dọa trở nên rõ ràng có thể là quá muộn.
Vì thế, câu chuyện về máy tính lượng tử trong an toàn thông tin không chỉ dành cho các phòng thí nghiệm. Nó liên quan đến ngân hàng, bệnh viện, cơ quan nhà nước, doanh nghiệp công nghệ và bất kỳ tổ chức nào đang lưu trữ dữ liệu nhạy cảm hoặc phụ thuộc vào kết nối số.
Vì sao mật mã hiện nay được quan tâm?
Nhiều hệ thống bảo mật hiện đại sử dụng hai nhóm kỹ thuật lớn. Nhóm thứ nhất là mật mã khóa đối xứng, trong đó cùng một bí mật được dùng để mã hóa và giải mã dữ liệu. Nhóm thứ hai là mật mã khóa công khai, sử dụng một cặp khóa có quan hệ toán học: khóa công khai có thể được chia sẻ, còn khóa riêng phải được giữ kín. Các cơ chế trao đổi khóa và chữ ký số trên internet thường dựa vào nhóm thứ hai.
Một số hệ mật mã khóa công khai phổ biến dựa trên giả định rằng những bài toán toán học nhất định rất khó giải bằng máy tính cổ điển. Chẳng hạn, việc phân tích một số nguyên lớn thành các thừa số nguyên tố hoặc giải bài toán logarit rời rạc là nền tảng của nhiều cơ chế bảo mật. Thuật toán Shor cho thấy máy tính lượng tử quy mô đủ lớn, hoạt động với lỗi được kiểm soát, về lý thuyết có thể giải quyết hiệu quả một số bài toán thuộc loại này. Nếu điều đó trở thành hiện thực, các hệ thống dựa trên RSA, Diffie–Hellman hoặc mật mã đường cong elliptic sẽ cần được thay thế hoặc gia cố bằng phương án khác.
Mật mã đối xứng không chịu cùng một kiểu đe dọa. Thuật toán Grover cho thấy máy tính lượng tử có thể làm giảm đáng kể độ an toàn hiệu dụng của một số tìm kiếm vét cạn. Tuy nhiên, ảnh hưởng này thường được xem là có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng khóa dài hơn và lựa chọn cấu hình phù hợp. Nói cách khác, tác động của máy tính lượng tử không đồng nhất với mọi thuật toán. Việc đánh giá phải dựa trên từng cơ chế, kích thước khóa, thời gian bảo vệ cần thiết và cách hệ thống được triển khai.
Mật mã hậu lượng tử khác gì mật mã lượng tử?
Hai khái niệm này dễ bị dùng lẫn, dù chúng giải quyết vấn đề theo những hướng khác nhau. Mật mã hậu lượng tử là các thuật toán được thiết kế để chạy trên máy tính thông thường nhưng vẫn được kỳ vọng chống lại cả máy tính cổ điển lẫn máy tính lượng tử. Chúng có thể được triển khai trong phần mềm, giao thức mạng, thiết bị phần cứng và hệ thống quản lý khóa mà không đòi hỏi mỗi bên phải sở hữu một máy tính lượng tử.
Ngược lại, mật mã lượng tử, trong đó có các giao thức phân phối khóa lượng tử, sử dụng những đặc tính của cơ học lượng tử để thiết lập hoặc kiểm tra bí mật. Cách tiếp cận này có thể phù hợp với một số tuyến liên lạc đặc thù, nhưng đòi hỏi hạ tầng truyền dẫn, thiết bị chuyên dụng và mô hình vận hành riêng. Nó không phải là lời giải đơn giản có thể thay thế toàn bộ mật mã đang tồn tại trên internet.
Đối với phần lớn tổ chức, bước chuyển thực tế trước mắt là nghiên cứu và triển khai mật mã hậu lượng tử. Các bộ tiêu chuẩn mới trong lĩnh vực này tập trung vào những nhóm bài toán được cho là khó đối với cả máy tính cổ điển lẫn máy tính lượng tử. Một số thuật toán hướng đến trao đổi khóa, trong khi những thuật toán khác phục vụ chữ ký số. Mỗi lựa chọn có kích thước khóa, kích thước bản tin, yêu cầu tính toán và đặc điểm triển khai khác nhau, vì vậy không thể chỉ thay một thuật toán trong tài liệu kỹ thuật rồi xem quá trình chuyển đổi đã hoàn tất.
Thách thức thật sự nằm ở đâu?
Thách thức lớn nhất thường không phải là cài đặt một thư viện mới, mà là biết chính xác tổ chức đang sử dụng mật mã ở đâu. Một hệ thống có thể dùng thuật toán trong giao thức kết nối máy chủ, ứng dụng di động, mạng riêng ảo, chứng chỉ số, thiết bị Internet vạn vật, cơ sở dữ liệu, phần mềm sao lưu và quy trình ký tài liệu. Nhiều thành phần trong số đó đến từ nhà cung cấp bên ngoài hoặc nằm trong thiết bị đã triển khai từ nhiều năm trước.
Nếu không có danh mục tài sản và luồng dữ liệu, tổ chức khó trả lời những câu hỏi cơ bản: dữ liệu nào cần được bảo vệ trong mười hay hai mươi năm, khóa được tạo và lưu ở đâu, chứng chỉ được thay thế theo quy trình nào, phần mềm nào phụ thuộc vào thuật toán cũ, và thiết bị nào không thể nâng cấp từ xa. Một kế hoạch chuyển đổi nghiêm túc vì vậy phải bắt đầu bằng việc kiểm kê, phân loại mức độ quan trọng của dữ liệu và xác định thời gian sống của từng hệ thống.
Khả năng thay thế thuật toán cũng là một tiêu chí thiết kế quan trọng. Nếu một ứng dụng gắn cứng với một thuật toán duy nhất, mỗi lần thay đổi tiêu chuẩn có thể kéo theo việc viết lại, kiểm thử và chứng nhận toàn bộ hệ thống. Ngược lại, kiến trúc có tính linh hoạt về mật mã cho phép thay đổi thuật toán, kích thước khóa hoặc cơ chế trao đổi mà ít ảnh hưởng hơn đến các thành phần còn lại. Đây là lý do “crypto-agility”, hay khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa các cơ chế mật mã, ngày càng được xem như một yêu cầu quản trị chứ không chỉ là một chi tiết kỹ thuật.
Chuyển đổi không phải là cuộc thay thế trong một đêm
Trong giai đoạn chuyển tiếp, một số tổ chức có thể cân nhắc mô hình lai, kết hợp cơ chế hiện tại với cơ chế hậu lượng tử trong cùng quy trình trao đổi khóa hoặc xác thực. Mục tiêu của cách làm này là giảm rủi ro khi một thành phần chưa được đánh giá đầy đủ, đồng thời tạo đường lui nếu một thuật toán mới phát sinh vấn đề. Tuy nhiên, mô hình lai làm tăng độ phức tạp. Nó có thể khiến bản tin dài hơn, yêu cầu nhiều tài nguyên hơn và tạo thêm điểm cần kiểm thử. Vì vậy, triển khai lai không nên được hiểu là mặc nhiên an toàn, mà cần được đánh giá trong từng giao thức và môi trường cụ thể.
Kiểm thử cũng cần bao gồm nhiều hơn việc đo tốc độ mã hóa. Đội ngũ kỹ thuật phải xem xét khả năng tương thích giữa các máy chủ, thiết bị mạng và phần mềm cũ; kích thước chứng chỉ và chữ ký; thời gian xử lý trong giờ cao điểm; cách sao lưu và khôi phục khóa; cũng như hành vi của hệ thống khi một thuật toán bị vô hiệu hóa. Đối với thiết bị có vòng đời dài, chẳng hạn thiết bị công nghiệp hoặc hạ tầng quan trọng, khả năng cập nhật trong tương lai phải được tính đến ngay từ lúc mua sắm.
Nhà cung cấp cũng giữ vai trò đáng kể. Một sản phẩm được quảng cáo là “sẵn sàng cho lượng tử” chưa nói lên nhiều điều nếu không chỉ rõ thuật toán, phiên bản thư viện, lộ trình cập nhật, phương thức quản lý khóa và kết quả kiểm thử. Tổ chức nên yêu cầu thông tin kỹ thuật có thể kiểm chứng, tránh phụ thuộc vào những tuyên bố chung chung hoặc một nhãn tiếp thị không giải thích được hệ thống thực sự bảo vệ phần nào.
Những việc có thể bắt đầu từ hôm nay
Bước đầu tiên là lập bản đồ mật mã của toàn tổ chức. Bản đồ này cần ghi nhận các thuật toán đang dùng, mục đích sử dụng, nơi tạo khóa, nơi lưu khóa, thời hạn của chứng chỉ và các mối phụ thuộc giữa dịch vụ. Song song với đó, dữ liệu nên được phân loại theo mức độ nhạy cảm và thời gian cần bảo vệ. Một bản ghi giao dịch có thể chỉ cần bảo mật trong thời gian ngắn, trong khi hồ sơ y tế, bí mật thiết kế hoặc thông tin định danh có thể có giá trị trong nhiều thập kỷ.
Tiếp theo, đội ngũ cần theo dõi các tiêu chuẩn đang được hoàn thiện, thử nghiệm các thư viện được đánh giá nghiêm túc và xây dựng kế hoạch nâng cấp theo từng lớp. Các hệ thống trao đổi khóa, chữ ký số và chứng chỉ nên được xem xét riêng vì yêu cầu kỹ thuật không giống nhau. Trong quá trình này, cần duy trì các biện pháp bảo vệ hiện tại, cập nhật phần mềm, quản lý khóa đúng quy trình và không biến mối lo về lượng tử thành lý do bỏ qua những lỗ hổng đã tồn tại.
Cuối cùng, chuyển đổi mật mã cần được đưa vào quản trị rủi ro dài hạn. Đây không chỉ là nhiệm vụ của nhóm an ninh mạng. Bộ phận mua sắm phải quan tâm đến vòng đời sản phẩm, bộ phận pháp lý cần hiểu yêu cầu lưu trữ và bảo vệ dữ liệu, còn lãnh đạo phải phân bổ ngân sách cho việc kiểm kê, thử nghiệm và thay thế hạ tầng. Một kế hoạch sớm và có thứ tự thường ít tốn kém hơn việc di chuyển khẩn cấp khi tiêu chuẩn, đối tác hoặc quy định đã thay đổi.
Chuẩn bị trước khi áp lực trở nên rõ ràng
Máy tính lượng tử chưa biến mọi hệ thống mật mã thành lỗi thời, nhưng nó đã làm thay đổi cách tổ chức nhìn về tuổi thọ của dữ liệu và hạ tầng bảo mật. Rủi ro quan trọng không chỉ nằm ở ngày một máy tính đủ mạnh xuất hiện, mà còn nằm ở những dữ liệu có thể bị thu thập ngay từ bây giờ và ở những hệ thống không thể thay đổi nhanh chóng.
Chuẩn bị cho kỷ nguyên hậu lượng tử vì thế là một quá trình quản lý chuyển đổi: hiểu mình đang bảo vệ điều gì, biết mật mã được dùng ở đâu, thiết kế hệ thống có thể thay đổi và thử nghiệm các phương án trước khi bắt buộc phải triển khai. Cách tiếp cận tỉnh táo này giúp tổ chức tránh cả hai thái cực: hoảng sợ trước những dự báo chưa chắc chắn và trì hoãn cho đến khi không còn đủ thời gian để hành động.
