Αγώνας δρόμου διεξάγεται ανάμεσα στα μονοπώλια που προσπαθούν να κατασκευάσουν τον πρώτο ευρείας χρήσης κβαντικό υπολογιστή και τους κρυπτογράφους, που υποστηρίζονται από τους ισχυρότερους ενδιαφερόμενους (κράτη, τράπεζες, τα ίδια τα μονοπώλια), οι οποίοι προσπαθούν να βρουν νέες ανθεκτικές κρυπτογραφικές μεθόδους για τη διασφάλιση της μυστικότητας επικοινωνιών και αποθηκευμένων πληροφοριών, ακόμη και μετά τον ερχομό των κβαντικών υπολογιστών. Αλλιώς, όποιος κατασκευάσει πρώτος κβαντικό υπολογιστή, θα έχει στη διάθεσή του τους τραπεζικούς κωδικούς των πάντων και ένα πασπαρτού για να διαβάσει οποιοδήποτε αρχείο, που έχει κρυπτογραφηθεί με τις σημερινές μεθόδους κρυπτογραφίας δημόσιου κλειδιού, καθώς οι μέθοδοι αυτές δεν μπορούν να αντισταθούν στην κβαντική υπολογιστική ισχύ.

Κανείς δεν ξέρει πότε ακριβώς θα κατασκευαστεί ένας κβαντικός υπολογιστής αρκετά μεγάλος, ώστε να σπάσει τα κρυπτογραφικά πρότυπα. Μερικοί ειδικοί υποστηρίζουν ότι αυτό θα γίνει έως το 2030, ενώ οι περισσότεροι το μεταθέτουν για την επόμενη ή τη μεθεπόμενη δεκαετία. Ομως για τους μεγάλους ενδιαφερόμενους (π.χ. κυβερνήσεις) η προθεσμία είναι πολύ πιο κοντά. Τα δεδομένα που αποθηκεύονται σήμερα κρυπτογραφημένα με τις υπάρχουσες μεθόδους θα μπορούσαν να αποκρυπτογραφηθούν αναδρομικά από έναν κβαντικό υπολογιστή 20 χρόνια αργότερα. Γι' αυτό το πρόβλημα θεωρείται άμεσο. Ηδη από το 2016 το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) των ΗΠΑ προκήρυξε διαγωνισμό για «μετα-κβαντικές» ή «κβαντο-ανθεκτικές» μεθόδους κρυπτογράφησης, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τους σημερινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Το 2022, το αμερικανικό Κογκρέσο ενέκρινε τον νόμο «ετοιμότητας κυβερνοασφάλειας κβαντικής υπολογιστικής», που απαιτεί τη σταδιακή μετάβαση των κυβερνητικών υπηρεσιών των ΗΠΑ στη χρήση τέτοιων αλγορίθμων κρυπτογράφησης.

Μετά από τέσσερις γύρους υποψηφιοτήτων και επιλογής, το NIST κατέληξε στον νικητή, τον αλγόριθμο CRYSTALS-Kyber στην κατηγορία της κρυπτογραφίας δημόσιου κλειδιού και τρεις άλλους αλγορίθμους για τις ψηφιακές υπογραφές, που εξασφαλίζουν ότι ο συνομιλητής ή ο υπογράφων είναι αυτός που λέει ότι είναι. Οι προγραμματιστές έχουν ήδη αρχίσει να θέτουν τα θεμέλια της κβαντικά διασφαλισμένης διατήρησης μυστικών. Οι τρεις από τους τέσσερις αλγορίθμους, συμπεριλαμβανόμενου του CRYSTALS-Kyber, βασίζονται στον μαθηματικό κλάδο των πλεγμάτων (lattices), που οι ειδικοί θεωρούν ότι παρουσιάζει προβλήματα πολύ δύσκολο να λυθούν. Κανένας, φυσικά, δεν μπορεί να εγγυηθεί ότι κάποια μελλοντική πρόοδος στα μαθηματικά δεν θα μπορέσει να τα επιλύσει με τρόπο πρακτικό από πλευράς απαιτούμενου χρόνου και υπολογιστικής ισχύος. Το γεγονός ότι 3 στα 4 «αβγά» μπαίνουν στο ίδιο καλάθι, δημιουργεί σε πολλούς μια ανησυχία, σχετικά με το τι θα γίνει αν τα πλέγματα δεν αποδειχτούν αρκετά ισχυρά.

Μια από τις παλιότερες μεθόδους κρυπτογράφησης είναι ο λεγόμενος κώδικας του Ιούλιου Καίσαρα, σύμφωνα με τον οποίο τα γράμματα αντικαθίστανται από άλλα, π.χ. δυο θέσεις πιο κάτω στο αλφάβητο. Ετσι το άλφα γίνεται γάμμα, το βήτα γίνεται δέλτα κ.ο.κ. Η αποκρυπτογράφηση ενός τέτοιου μηνύματος σημαίνει την αντίστροφη αντικατάσταση των γραμμάτων με εκείνα που βρίσκονται δυο θέσεις πιο πριν στο αλφάβητο. Υπάρχουν πάμπολλες παραλλαγές αυτής της μεθόδου, που θεωρείται σήμερα παιδική, καθώς και ο μη ειδικός μπορεί να εντοπίσει λέξεις με ένα γράμμα, που πιθανότατα είναι το αρσενικό ή το θηλυκό άρθρο στην ονομαστική και να αρχίσει να «ξηλώνει» την κρυπτογράφηση. Οι επαγγελματίες κρυπτογράφοι μπορούν να αποκρυπτογραφήσουν πιο πολύπλοκες αντικαταστάσεις, συγκρίνοντας τη συχνότητα των διάφορων συμβόλων με τη συχνότητα χρήσης των γραμμάτων του αλφαβήτου.

Στη σύγχρονη κρυπτογραφία χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος AES, που κωδικοποιεί το μήνυμα επανειλημμένα και ανακατεύει τα στοιχεία του σαν τραπουλόχαρτα. Μετά από πολλά ανακατέματα και αντικαταστάσεις, η ανακατασκευή του αρχικού μηνύματος είναι πολύ δύσκολη. Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές μπορούν εύκολα να ακολουθήσουν τις οδηγίες αντιστροφής της διαδικασίας αυτής. Ο αλγόριθμος AES είναι μια μέθοδος συμμετρικής κρυπτογράφησης (κρυπτογραφία συμμετρικού κλειδιού), που μέχρι τη δεκαετία του 1970 ήταν η μοναδική μέθοδος κρυπτογράφησης. Το μειονέκτημα που έχει η μέθοδος αυτή είναι ότι ο αποστολέας και ο παραλήπτης πρέπει να συμφωνήσουν για τα ακριβή βήματα της διαδικασίας κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης πριν ανταλλάξουν οποιοδήποτε κρυπτογραφημένο μήνυμα, και αυτή η συμφωνία πρέπει να γίνει είτε διά ζώσης, είτε μέσω ενός άλλου ασφαλούς τρόπου επικοινωνίας.

Προσπάθειες που ακολούθησαν για τη δημιουργία αλγορίθμων κρυπτογράφησης, που θα παρέμεναν ασφαλείς χωρίς την ανάγκη ανταλλαγής κάποιων αρχικών μηνυμάτων, τα οποία δεν θα έπρεπε να πέσουν στα χέρια εκείνων που επιδιώκουν την παραβίαση της κρυπτογράφησης, οδήγησε μερικά χρόνια αργότερα στους αλγορίθμους Diffie-Hellman και RSA. Σήμερα τα περισσότερα μηνύματα κρυπτογραφούνται με συμμετρική κρυπτογράφηση, όπως η AES, που είναι γρήγορη και αποτελεσματική. Ομως για την ανταλλαγή των οδηγιών κρυπτογράφησης - αποκρυπτογράφησης μεταξύ των δύο μερών χρησιμοποιείται η κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού.

Για να καταλάβει κανείς πώς λειτουργεί, μπορεί να φανταστεί δύο φίλους, την Αλίκη και τον Μπομπ, που έχουν ένα αρτοζαχαροπλαστείο με μια μυστική συνταγή για νόστιμα κουλουράκια. Είναι τόσο μυστική που ούτε η Αλίκη ούτε ο Μπομπ γνωρίζουν την πλήρη συνταγή. Ο καθένας προσθέτει ένα μυστικό συστατικό, που μόνο αυτός γνωρίζει. Αλλοτε η Αλίκη ανακατεύει τα βασικά συστατικά με το μυστικό συστατικό που γνωρίζει και στέλνει το μείγμα στον Μπομπ, ο οποίος προσθέτει το δικό του μυστικό συστατικό και ψήνει τα κουλουράκια κι άλλες φορές η διαδικασία εκκινείται από τον Μπομπ. Ακόμη και η μεταφορέας τους η Εύα, που χώνει τη μύτη της παντού (τα ονόματα αυτά είναι συνήθη στα παραδείγματα κρυπτογραφίας), δεν μπορεί να καταλάβει ποια είναι η ακριβής συνταγή, επειδή όταν μεταφέρει το μείγμα, το μυστικό συστατικό έχει ήδη ανακατευθεί με τα βασικά και δεν μπορεί να διαχωριστεί.

Φυσικά οι υπολογιστές δεν ψήνουν κουλουράκια. Στην πραγματική κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού, σκοπός είναι να ανταλλαχθεί μεταξύ των δύο μερών ένας μυστικός αριθμός, ως προσωρινός κωδικός, που επιτρέπει την πραγματοποίηση ιδιωτικής (κρυπτογραφημένης) επικοινωνίας με χρήση συμμετρικής κρυπτογράφησης (π.χ. με AES). Οι διάφοροι αλγόριθμοι κρυπτογραφίας δημόσιου κλειδιού χρησιμοποιούν μαθηματικές συναρτήσεις για το ανακάτεμα των συστατικών των κουλουριών, πριν παραδώσουν το μείγμα στην Εύα. Οι μαθηματικές συναρτήσεις είναι σαν μηχανές στις οποίες βάζεις κάποιους αριθμούς και σου βγάζουν έναν νέο αριθμό. Αυτές που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού πρέπει να προκαλούν καλή «ανάμειξη» των συστατικών. Η κρυπτογραφία RSA στηρίζεται στον πολλαπλασιασμό και το αντίστροφό του, την παραγοντοποίηση. Η ανάμειξη αριθμών και ο πολλαπλασιασμός τους είναι εύκολος για έναν υπολογιστή ακόμη κι όταν οι αριθμοί είναι μεγάλοι. Ομως η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών (δηλ. η εύρεση ποιων αριθμών πρέπει να πολλαπλασιάσω για να προκύψει ο δεδομένος αριθμός) είναι πολύ δύσκολη και χρονοβόρα ακόμη και για τους υπολογιστές.

Ωστόσο, το 1994, ο μαθηματικός Πίτερ Σορ ανακάλυψε μια μέθοδο με την οποία ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να σπάσει οποιονδήποτε κώδικα κρυπτογραφημένο με RSA ή Diffie-Hellman. Στη συνέχεια ανακάλυψε τρόπο που ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να παραγοντοποιήσει μεγάλους αριθμούς. Από κοινού αυτές οι δύο λύσεις ονομάστηκαν αλγόριθμος του Σορ.

Ενώ οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν μακριές σειρές από 0 και 1 (bit), οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τα qubit (από quantum και το bit). Αυτά μπορεί να βρίσκονται σε μια κατάσταση υπέρθεσης, δηλαδή να είναι έως έναν βαθμό 0 και έως έναν βαθμό 1. Κινούμενα ανάμεσα σε αυτές τις δύο καταστάσεις τα qubit επιτρέπουν στους κβαντικούς υπολογιστές να πραγματοποιήσουν συγκεκριμένες εργασίες ασύγκριτα πιο γρήγορα σε σχέση με τους κλασικούς υπολογιστές. Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν εντυπωσιακή εμφάνιση (κρέμονται από το ταβάνι σαν ογκώδεις χρυσοί πολυέλαιοι), αλλά ακόμη δεν είναι αρκετά ισχυροί. Τα qubit είναι πολύ ευαίσθητα σε οποιαδήποτε εξωτερική επίδραση (θόρυβο) και γι' αυτό πολύ ασταθή. Οι κβαντικοί υπολογιστές, που έχουν κατασκευαστεί έως τώρα, διαθέτουν λίγα qubit και συνήθως είναι αποτελεσματικοί για κάποιους πολύ σύνθετους υπολογισμούς, που όμως δεν έχουν πρακτική αξία. Ενας απ' αυτούς το 2012 κατάφερε χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Σορ να παραγοντίσει τον αριθμό 21, ως αριθμό που μπορεί να προκύψει από τον πολλαπλασιασμό του 3 με το 7.

Τα πλέγματα, που χρησιμοποιεί ο αλγόριθμος CRYSTALS-Kyber, είναι μια επαναλαμβανόμενη διάταξη κουκκίδων. Τα δισδιάστατα πλέγματα στο χαρτί γίνονται πιο εύκολα αντιληπτά. Ομως, οι ερευνητές χρησιμοποιούν πλέγματα εκατοντάδων ή και χιλιάδων διαστάσεων. Από αυτή τη θάλασσα κουκκίδων, που είναι αδύνατο στον άνθρωπο να οπτικοποιήσει, διαλέγουν ένα μόνο σημείο. Η ακριβής θέση του σημείου αντιπροσωπεύει το κρυφό μήνυμα. Αν μετακινηθεί κανείς στον κενό χώρο μεταξύ των κουκκίδων, μπορεί να μοιραστεί τη νέα θέση του δημοσίως, χωρίς να αποκαλύψει τη θέση του μυστικού σημείου, επειδή η εύρεση κοντινών σημείων ενός τέτοιου πλέγματος είναι πολύ δύσκολο μαθηματικό πρόβλημα.

Το πέρασμα στους νέους ανθεκτικούς σε κβαντικούς υπολογιστές αλγορίθμους κρυπτογράφησης δεν θα γίνει μονομιάς. Κάθε εταιρεία λογισμικού θα πρέπει να αναβαθμίσει τα πρωτόκολλά της, οι κυβερνήσεις θα πρέπει να αλλάξουν τις προδιαγραφές των συστημάτων τους και πολλές συσκευές πληροφορικής να αντικατασταθούν. Με αυτή την έννοια, η προετοιμασία κρυπτογράφησης για την εποχή των κβαντικών υπολογιστών αποτελεί έναν επιπλέον τρόπο κύκλισης κάποιων στάσιμων κεφαλαίων, ενισχυτικά της πράσινης οικονομίας, της ψηφιακής μετάβασης και της πολεμικής οικονομίας.