Apa itu kriptografi quantum?

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 bersifat inheren tidak pasti: Pada tingkat quantum, partikel dapat secara bersamaan ada di lebih dari satu tempat atau dalam lebih dari satu keadaan pada saat yang sama. Dan tidak mungkin untuk memprediksi keadaan 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.

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. Kriptosistem masa kini terbagi dalam dua kelompok besar, salah satunya adalah sistem simetris yang menggunakan satu kunci rahasia untuk mengenkripsi dan mendekripsi data. Dan sistem asimetris, yang menggunakan kunci publik yang dapat dibaca siapa pun dan kunci pribadi yang hanya dapat diakses oleh pihak yang berwenang.

Kedua jenis kriptosistem membuat kunci ini dengan mengalikan bilangan prima besar. Dan sistem ini mengandalkan kekuatan komputasi yang sangat besar untuk memfaktorkan bilangan besar sehingga kunci enkripsinya tidak dapat ditembus 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 besar dengan komputer klasik membutuhkan komputasi yang begitu besar hingga seorang peretas akan membutuhkan banyak masa hidup untuk melakukannya. Tetapi komputer quantum yang benar-benar berfungsi—jika kelak terwujud—dapat menemukan solusi hanya dalam beberapa menit.

Untuk alasan ini, kasus penggunaan untuk kriptografi quantum tidak terbatas seperti halnya contoh penggunaan untuk semua bentuk kriptografi. Jika apa pun dari informasi perusahaan hingga rahasia negara—harus tetap terjaga ketika komputasi quantum membuat algoritma kriptografi lama tak lagi aman. Kriptografi quantum mungkin satu-satunya jalan kami untuk mengamankan data pribadi.

Sebagai ilmuwan komputer di seluruh dunia bekerja siang dan malam untuk mengembangkan teknologi quantum praktis. Sangat penting bahwa kami juga mengembangkan bentuk-bentuk kriptografi baru untuk mempersiapkan era quantum komputasi. 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 Thomas J. Watson Research Center 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 di sisi pengirim mengubah orientasi fisik setiap foton tunggal ke posisi tertentu. 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 memengaruhinya.

Dengan cara ini, sistem QKD dianggap tidak dapat diretas. Jika Bob dan Alice mendeteksi perubahan keadaan quantum foton, mereka akan tahu bahwa Eve sedang melakukan penyadapan. 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 node 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 memilih “kepala”, bagaimana dia bisa memastikan Bob tidak berbohong dengan mengatakan koin jatuh pada “ekor”, meskipun hasilnya sebenarnya “kepala”?

Jenis taruhan 50:50 ini dapat dicapai dengan Bob mengirimkan Alice serangkaian foton 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 digunakan untuk membaca polarisasi untuk setiap foton individu.

Dan dari sini, dia dapat membandingkan bacaannya dengan notasi Bob dan menebak apakah Bob memilih satu set polaritas atau lainnya. 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 kuantum lainnya yang mencakup enkripsi langsung, tanda tangan digital, keterikatan quantum, dan bentuk-bentuk komunikasi quantum lainnya. Tipe enkripsi quantum lainnya meliputi:

• Kriptografi quantum berbasis posisi
• Kriptografi quantum yang tidak bergantung pada perangkat
• Protokol Kek
• Protokol Y-00

Menurut Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST), tujuan kriptografi pasca-quantum (juga disebut kriptografi tahan-quantum atau aman dari quantum) adalah untuk “mengembangkan sistem kriptografi yang aman terhadap komputer quantum dan klasik, dan [yang] dapat berinteroperasi dengan protokol dan jaringan komunikasi yang 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