Dẫn lối trong làn sóng lượng tử: Hiểu về Mật mã hậu lượng tử (Post-Quantum Cryptography – PQC) và lý do tại sao nó đang trở nên cấp thiết

Dẫn lối trong làn sóng lượng tử: Hiểu về Mật mã hậu lượng tử (Post-Quantum Cryptography – PQC) và lý do tại sao nó đang trở nên cấp thiết

Trong kỷ nguyên siêu kết nối ngày nay, an ninh của mọi hoạt động số đều phụ thuộc chặt chẽ vào mật mã học. Từ ngân hàng trực tuyến, truyền thông bảo mật, cho đến việc bảo vệ hạ tầng trọng yếu và dữ liệu nhạy cảm của chính phủ, các thuật toán mã hóa như RSA, AES và ECC chính là nền tảng tạo dựng niềm tin số (digital trust). Tuy nhiên, một bước tiến công nghệ mang tính đột phá đang dần xuất hiện trên đường chân trời — máy tính lượng tử. Dù mở ra những cơ hội to lớn cho khoa học và tính toán hiệu năng cao, loại hình xử lý mới này cũng đồng thời đe dọa nghiêm trọng đến các chuẩn mật mã khóa công khai hiện nay, do khả năng phá vỡ các bài toán toán học cốt lõi mà RSA và ECC dựa vào. Chính vì vậy, thế giới an ninh mạng đang bước vào giai đoạn tái định hình phương pháp bảo vệ thông tin, hướng tới các giải pháp mật mã hậu lượng tử (Post-Quantum Cryptography) – một nền tảng bảo mật mới, được thiết kế để chống chịu trước năng lực tính toán khổng lồ của máy tính lượng tử.

Sự cần thiết phải chuẩn bị: Đối mặt với thách thức lượng tử trong mật mã học

Trong nhiều thập kỷ qua, con người đã dựa vào các hệ mật mã khóa công khai được xây dựng dựa trên những bài toán toán học được xem là bất khả thi đối với máy tính cổ điển.

Cụ thể, bài toán phân tích thừa số của các số nguyên lớn (nền tảng của mã hóa RSA) hoặc bài toán logarit rời rạc (ứng dụng trong ECC và Diffie-Hellman) hiện nay phải mất hàng thiên niên kỷ để giải được bằng máy tính truyền thống, nếu sử dụng độ dài khóa chuẩn đang được áp dụng. Chính độ khó tính toán này là yếu tố đảm bảo tính bí mật, toàn vẹn và an toàn cho dữ liệu được mã hóa.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử (quantum computing) đang làm thay đổi hoàn toàn cuộc chơi. Không giống như máy tính cổ điển chỉ sử dụng bit để biểu diễn giá trị 0 hoặc 1, máy tính lượng tử sử dụng qubit, có khả năng tồn tại đồng thời trong nhiều trạng thái (superposition) và có thể liên kết (entangle) với các qubit khác. Hai đặc tính cốt lõi này giúp máy tính lượng tử thực hiện một số phép tính với tốc độ tăng theo cấp số nhân so với máy tính truyền thống. Điều đáng chú ý nhất là thuật toán của Peter Shor, được công bố năm 1994, đã chứng minh rằng một máy tính lượng tử đủ mạnh có thể giải quyết hiệu quả các bài toán toán học nền tảng của RSA và ECC. Hệ quả là những thuật toán mã hóa này sẽ trở nên không còn an toàn khi công nghệ lượng tử đạt đến mức đủ trưởng thành.

Mặc dù hiện tại, máy tính lượng tử chịu lỗi (fault-tolerant quantum computers) với khả năng thực thi thuật toán Shor ở kích thước khóa thực tế vẫn chưa xuất hiện, nhưng mối đe dọa tiềm ẩn này đòi hỏi các tổ chức và quốc gia phải hành động sớm – chủ động nghiên cứu, đánh giá và chuẩn bị lộ trình chuyển đổi sang các thuật toán mật mã hậu lượng tử (PQC) trước khi quá muộn.

Sự xuất hiện của mật mã hậu lượng tử (Post-Quantum Cryptography – PQC)

Mật mã hậu lượng tử (PQC) – đôi khi còn được gọi là mật mã kháng lượng tử (quantum-resistant) hoặc kháng Shor (Shor-resistant cryptography) – là lĩnh vực nghiên cứu, phát triển và triển khai các thuật toán mật mã được cho là an toàn trước các cuộc tấn công từ cả máy tính cổ điển lẫn máy tính lượng tử.

Thay vì dựa vào các bài toán lý thuyết số (number theory) dễ bị tổn thương bởi thuật toán Shor, các thuật toán PQC được xây dựng dựa trên những bài toán toán học phức tạp mà cho đến nay chưa có thuật toán hiệu quả nào – dù cổ điển hay lượng tử – có thể giải được. Một số hướng tiếp cận tiêu biểu bao gồm:

• Mật mã dựa trên mạng tinh (Lattice-based cryptography): Dựa trên độ khó của việc tìm các điểm cụ thể trong cấu trúc hình học nhiều chiều gọi là “lattice” (mạng tinh). Đây là một trong những hướng nghiên cứu mạnh nhất và được xem là ứng viên hàng đầu cho các chuẩn PQC.

• Mật mã dựa trên mã (Code-based cryptography): Dựa vào độ khó của việc giải mã các mã tuyến tính ngẫu nhiên (random linear codes) – bài toán đã được chứng minh là cực kỳ phức tạp và ổn định qua nhiều thập kỷ nghiên cứu.

• Mật mã dựa trên hàm băm (Hash-based cryptography): Sử dụng các hàm băm mật mã (cryptographic hash functions) để xây dựng cơ chế chữ ký số có độ an toàn cao và khả năng chống lượng tử tự nhiên.

• Mật mã đa biến (Multivariate cryptography): Dựa trên độ khó của việc giải hệ phương trình đa thức nhiều biến (multivariate polynomial systems) – một loại bài toán mà không có giải pháp hiệu quả nào được biết đến cho cả hai loại máy tính.

Nhận thấy bước ngoặt công nghệ này, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã khởi động một chương trình kéo dài nhiều năm nhằm thu thập, đánh giá và tiêu chuẩn hóa các thuật toán mật mã hậu lượng tử phục vụ cho: Mã hóa khóa công khai (public-key encryption), thiết lập khóa (key establishment), chữ ký số (digital signatures). Vào tháng 8 năm 2024, NIST đã công bố bộ tiêu chuẩn PQC chính thức đầu tiên, bao gồm: FIPS 203 – ML-KEM: Chuẩn cho cơ chế trao đổi khóa (Key Encapsulation Mechanism), FIPS 204 – ML-DSA: Chuẩn cho thuật toán chữ ký số (Digital Signature Algorithm), FIPS 205 – SLH-DSA: Một chuẩn chữ ký số dựa trên hàm băm, mang lại mức độ an toàn cực cao. Những tiêu chuẩn này đánh dấu bước chuyển dịch mang tính lịch sử trong lĩnh vực mật mã học, hướng đến kỷ nguyên bảo mật an toàn trước sức mạnh của máy tính lượng tử.

Tại sao việc chuẩn bị ngay từ bây giờ là một bước đi khôn ngoan

Mặc dù tác động toàn diện của điện toán lượng tử đối với mật mã học có thể vẫn còn xa, nhưng chủ động chuẩn bị cho quá trình chuyển đổi sang mật mã hậu lượng tử (PQC) mang lại những lợi ích đáng kể và giúp giảm thiểu rủi ro trong tương lai.

• Quản lý lộ trình chuyển đổi phức tạp. Việc nâng cấp toàn bộ hạ tầng mật mã của một tổ chức là một nhiệm vụ lớn và có tính hệ thống cao, nó đòi hỏi phải: Xác định mọi vị trí, dịch vụ, hoặc ứng dụng đang sử dụng các thuật toán dễ bị tấn công bởi máy tính lượng tử. Đánh giá các phụ thuộc giữa phần mềm, phần cứng và giao thức bảo mật. Kiểm thử các thuật toán mới, đảm bảo khả năng tương thích và hiệu năng. Triển khai đồng bộ các bản cập nhật trên các nền tảng và thiết bị đa dạng. Quy trình này có thể mất nhiều năm, đặc biệt đối với các tổ chức có hệ thống CNTT phức tạp hoặc quy mô lớn. Bắt đầu sớm cho phép lập kế hoạch có cấu trúc, triển khai dần dần và tránh tình trạng “chạy nước rút” khi các yêu cầu tiêu chuẩn trở nên bắt buộc. Những ví dụ thực tế như sự kiện Y2K hay quá trình triển khai IPv6 đã chứng minh rằng việc chuẩn bị sớm là yếu tố sống còn trong các cuộc chuyển đổi công nghệ quy mô lớn.
• Đảm bảo an toàn lâu dài cho các tài sản bền vững. Nhiều hệ thống, thiết bị và dữ liệu có vòng đời hoạt động kéo dài hàng thập kỷ — chẳng hạn như: Hạ tầng trọng yếu quốc gia, thiết bị IoT công nghiệp và dân dụng lâu năm, dữ liệu lưu trữ dài hạn, và danh tính số (digital identities) được duy trì trong nhiều năm. Các tài sản này cần lớp bảo mật mật mã đủ mạnh để chống chịu được cả trong tương lai xa, khi máy tính lượng tử trở nên phổ biến. Do đó, tích hợp PQC ngay từ giai đoạn thiết kế và quy hoạch là yếu tố then chốt để bảo vệ tính toàn vẹn và tính bí mật dài hạn của các tài sản số này.
• Đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn đang hình thành. Khi NIST hoàn tất các chuẩn PQC chính thức và các quy định mới được ban hành – đặc biệt trong khu vực chính phủ và các ngành có tính tuân thủ cao (regulated industries) – các tổ chức sẽ cần chuyển sang áp dụng các thuật toán mới này. Chủ động tiếp cận và lập kế hoạch sớm giúp doanh nghiệp bắt nhịp với yêu cầu tiêu chuẩn hóa, đồng thời giảm thiểu rủi ro không tuân thủ (non-compliance) trong tương lai.
• Duy trì niềm tin trong các giao dịch số. Mật mã học là nền tảng tạo dựng niềm tin trong mọi hoạt động kỹ thuật số — từ giao dịch thương mại điện tử, trao đổi thông tin nhạy cảm, cho tới vận hành các dịch vụ thiết yếu. Bằng cách chủ động chuyển đổi sang PQC, các tổ chức thể hiện cam kết mạnh mẽ đối với an ninh thông tin, đồng thời bảo toàn niềm tin của người dùng trong bối cảnh công nghệ đang thay đổi nhanh chóng.

Điều hướng quá trình chuyển đổi: Chuẩn bị cho một tương lai kháng lượng tử

Chuyển đổi sang Mật mã hậu lượng tử (PQC) là một quá trình chiến lược, đòi hỏi sự lập kế hoạch cẩn trọng và triển khai có hệ thống.
Các tổ chức nên bắt đầu chuẩn bị ngay từ bây giờ bằng cách thực hiện các bước sau:

• Kiểm kê việc sử dụng mật mã (Inventorying cryptographic usage). Xác định toàn bộ các vị trí, ứng dụng, và dịch vụ trong hệ thống đang sử dụng mật mã khóa công khai (public-key cryptography). Đánh giá loại dữ liệu đang được bảo vệ (ví dụ: dữ liệu vận hành, dữ liệu nhận dạng, dữ liệu giao dịch, v.v.) và thời gian yêu cầu duy trì tính bảo mật (security longevity). Việc nắm rõ “bản đồ mật mã” giúp xác định phạm vi ảnh hưởng và mức độ ưu tiên trong quá trình chuyển đổi.
• Đánh giá rủi ro và xác định ưu tiên (Assessing risk and prioritization). Phân tích tác động tiềm ẩn nếu một thuật toán mật mã bị phá vỡ, đặc biệt với các dữ liệu nhạy cảm hoặc có giá trị lâu dài. Ưu tiên bảo vệ các tài sản yêu cầu tính bí mật dài hạn, chẳng hạn như dữ liệu lưu trữ, danh tính số, thông tin sở hữu trí tuệ, hoặc cơ sở hạ tầng trọng yếu.
• Theo dõi tiêu chuẩn và hướng dẫn (Monitoring standards and guidance). Cập nhật liên tục về các tiêu chuẩn PQC của NIST (như FIPS-203, FIPS-204, FIPS-205) và các khuyến nghị từ các tổ chức chuyên ngành hoặc cơ quan quản lý nhà nước. Việc tuân thủ sớm các hướng dẫn này giúp đảm bảo tính tương thích và hợp chuẩn trong tương lai gần.
• Lên kế hoạch cho tính linh hoạt mật mã (Planning for crypto-agility). Thiết kế các hệ thống, ứng dụng và giao thức theo hướng crypto-agile – nghĩa là có khả năng thay đổi linh hoạt thuật toán mật mã mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống. Tính linh hoạt này không chỉ giúp quá trình chuyển đổi sang PQC diễn ra suôn sẻ, mà còn chuẩn bị cho các thay đổi thuật toán trong tương lai khi tiêu chuẩn mật mã tiếp tục tiến hóa.
• Hợp tác với đối tác và nhà cung cấp (Engaging with partners and vendors). Trao đổi với nhà cung cấp công nghệ, phần cứng, phần mềm và dịch vụ đám mây để nắm rõ lộ trình hỗ trợ PQC của họ. Đảm bảo rằng các giải pháp trong hệ sinh thái CNTT của tổ chức sẽ tương thích với chuẩn PQC và có kế hoạch nâng cấp rõ ràng.
• Thử nghiệm và đánh giá (Piloting and testing). Bắt đầu thử nghiệm các thuật toán PQC trong môi trường giả lập hoặc phi sản xuất (non-production environments). Đánh giá hiệu năng, khả năng tích hợp, và tác động tới hạ tầng hiện tại. Những bài kiểm thử sớm này sẽ giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn, đồng thời rút ngắn thời gian triển khai thực tế sau này.

Kết luận: Chuẩn bị chủ động là yếu tố then chốt

Sự phát triển của điện toán lượng tử mang đến một thách thức đáng kể đối với nền tảng an ninh số hiện tại, nhưng đây không phải là thách thức không thể kiểm soát. Mật mã hậu lượng tử (Post-Quantum Cryptography – PQC) chính là bộ công cụ cần thiết để giúp chúng ta thích ứng với bối cảnh công nghệ đang thay đổi nhanh chóng này. Việc chuyển đổi sang PQC không chỉ đơn thuần là một dự án kỹ thuật, mà là một chiến lược dài hạn, đòi hỏi: Tầm nhìn chủ động (foresight), kế hoạch triển khai bài bản và đầu tư nghiêm túc ngay từ hôm nay. Chủ động giải quyết rủi ro bảo mật dữ liệu dài hạn và chuẩn bị cho những phức tạp trong quá trình di trú mật mã đồng nghĩa với việc PQC không còn là vấn đề của tương lai, mà đã trở thành ưu tiên hiện tại đối với mọi tổ chức cam kết bảo vệ dữ liệu và duy trì niềm tin trong hoạt động kỹ thuật số. Bắt đầu hành trình hướng tới một tương lai kháng lượng tử (quantum-resistant future) ngay từ bây giờ là một bước đi chiến lược, thông minh và cần thiết để đảm bảo năng lực phục hồi và an toàn lâu dài cho hạ tầng số. Để tìm hiểu sâu hơn về cách chúng tôi đang ứng dụng PQC, cũng như xây dựng các hệ thống mạng linh hoạt, an toàn và sẵn sàng cho kỷ nguyên hậu lượng tử, hãy khám phá cách tiếp cận của chúng tôi ngay hôm nay.

Hẹn gặp lại bạn trong các bài viết tiếp theo!

CÔNG TY CỔ PHẦN DỊCH VỤ CÔNG NGHỆ DATECH

• Địa chỉ: Số 23E4 KĐT Cầu Diễn, Tổ 7, Phú Diễn, Bắc Từ Liêm, Hà Nội

• Điện thoại: 0243 201 2368

• Hotline: 098 115 6699

• Email: info@datech.vn

• Website: https://datech.vn