科技行者
可能大部分人在使用電子商務(wù)網(wǎng)站、發(fā)送及接收電子郵件或者查看自己的網(wǎng)上銀行或信用卡賬戶時(shí)，都沒有注意到網(wǎng)絡(luò)瀏覽器當(dāng)中顯示出的小小掛鎖符號(hào)。但這個(gè)符號(hào)其實(shí)非同小可，它代表著我們所面對(duì)的在線服務(wù)正在使用HTTPS——這是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?qū)ξ覀兺ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)以及收到的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行加密。目前，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)都在使用HTTPS以及其它一些形式的加密機(jī)制保護(hù)各類電子通信、密碼、數(shù)字簽名以及健康記錄等信息。
量子計(jì)算機(jī)則可能很快摧毀這些加密防御體系。雖然目前的量子計(jì)算機(jī)還遠(yuǎn)稱不上強(qiáng)大，但其正在快速發(fā)展當(dāng)中。有可能在未來十多年——甚至更短時(shí)間——之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)給目前廣泛使用的加密方法構(gòu)成巨大威脅。正因?yàn)槿绱?，研究人員與安全企業(yè)才競(jìng)相開發(fā)新的加密方法，用以抵御未來由黑客發(fā)動(dòng)的量子攻勢(shì)。
數(shù)字加密的工作原理
目前存在兩種主要的加密類型。其中對(duì)稱加密要求發(fā)送方與接收方擁有相同的數(shù)字密鑰，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密與解密;而非對(duì)稱或者說公鑰加密機(jī)制，則利用公鑰對(duì)所發(fā)送內(nèi)容進(jìn)行加密，并由接收者作為唯一持有私鑰的一方解密消息并讀取其中的內(nèi)容。
有時(shí)候，這兩種方法也會(huì)結(jié)合二用。例如，在HTTPS協(xié)議場(chǎng)景當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器會(huì)利用公鑰加密檢查網(wǎng)站的磁性，而后利用對(duì)稱密鑰進(jìn)行加密通信。
其目標(biāo)在于阻止黑客投入大規(guī)模算力以暴力破解網(wǎng)站所使用的密鑰。在這方面，目前流行的加密方法主要有RSA加密以及橢圓曲線加密兩種——后者通常使用所謂陷門函數(shù)。這是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，其從一側(cè)能夠以相對(duì)輕松的方式創(chuàng)建密鑰，但敵對(duì)方卻很難從另一側(cè)逆推密鑰內(nèi)容。
黑客們當(dāng)然可以通過嘗試所有可能的密鑰變體進(jìn)行密碼內(nèi)容破解，但防御一方則通過使用長(zhǎng)度極為夸張的密鑰使得黑客幾乎無法試盡其中的全部可能性——以RSA 2048為例，其密鑰長(zhǎng)度為617個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，嘗試其中所有可能的排列并找出正確私鑰的過程可能需要數(shù)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)年。
為什么量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為加密技術(shù)的巨大威脅?
簡(jiǎn)單來說，這是因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)能夠幫助黑客更快闖過算法陷門這道難關(guān)。與各個(gè)比特只能處于1或0狀態(tài)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)可以使用能夠同時(shí)代表1與0的多種可能狀態(tài)的量子比特——這就是所謂疊加現(xiàn)象。另外，通過所謂糾纏現(xiàn)象，各個(gè)量子比特之間也能夠在遠(yuǎn)距離條件下相互影響。
在這些現(xiàn)象的作用之下，只需要添加少數(shù)額外的量子比特，我們就能夠讓計(jì)算機(jī)的處理能力呈指數(shù)級(jí)上升。擁有300個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)就可以表達(dá)比可觀察宇宙中全部原子總數(shù)更多的值。假設(shè)量子計(jì)算機(jī)能夠克服其自身特性帶來的某些固有限制，那么其最終完全有可能在相對(duì)較短的時(shí)間之內(nèi)測(cè)試加密密鑰的所有潛在排列。
黑客也可能采用某些針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化的量子算法。其中一種算法由AT&T公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的Lov Grover于1996年提出，其能夠幫助量子計(jì)算機(jī)更快地搜索可能的排列。另一種由Peter Shor于1994年提出，當(dāng)時(shí)身在貝爾實(shí)驗(yàn)室的他如今已經(jīng)成為麻省理工學(xué)院教授。這種算法能夠幫助量子計(jì)算機(jī)以極快的速度找到任意整數(shù)的質(zhì)因數(shù)。
Shor的算法給公觸目加密系統(tǒng)帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)——特別是RSA，因?yàn)槠浞烙芰Ω叨纫蕾囉趯?duì)兩個(gè)大質(zhì)數(shù)相乘的結(jié)果進(jìn)行逆推所帶來的天然難度。去年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程與醫(yī)學(xué)院發(fā)布的量子計(jì)算報(bào)告預(yù)測(cè)稱，運(yùn)行Shor算法的強(qiáng)大量子計(jì)算機(jī)將能夠在不到一天的時(shí)間內(nèi)破解1024位RSA加密密鑰。
那么，量子計(jì)算機(jī)會(huì)很快摧毀整個(gè)加密防御體系嗎?
這種可能性并不太大。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的研究結(jié)果表明，要構(gòu)成真正的威脅，未來的量子計(jì)算機(jī)必須帶來遠(yuǎn)超目前的更強(qiáng)處理能力。
盡管如此，也有一些安全研究人員傾向于認(rèn)為“Y2Q”——也就是量子加密破解成為現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)的年份——沒準(zhǔn)很快就會(huì)到來。2015年，研究人員曾得出結(jié)論，認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)需要10億個(gè)量子比特才能夠非常高效地破解2048位RSA加密系統(tǒng);但最近的工作表明，一臺(tái)擁有2000萬(wàn)量子比特的計(jì)算機(jī)已經(jīng)足以在短短8個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成這項(xiàng)任務(wù)。
好在這仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有最強(qiáng)大量子計(jì)算機(jī)的能力上限;目前最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)僅有128個(gè)量子比特。然而，量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步難以預(yù)測(cè);如果沒有“量子安全”型加密防御措施，從無人駕駛汽車到軍事硬件、乃至在線金融交易與通信等等，都有可能成為未來掌握量子計(jì)算機(jī)的黑客們的攻擊目標(biāo)。
任何希望將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)保存數(shù)十年的企業(yè)或者政府機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在都有必要考慮量子計(jì)算技術(shù)帶來的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗麄冇糜诒Ｗo(hù)這些數(shù)據(jù)的加密手段很可能會(huì)在未來受到破壞。另外，我們可能需要投入很多年才能真正利用更強(qiáng)大的防御機(jī)制對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編碼。因此，現(xiàn)在就開始思考可能會(huì)更好。以此為基礎(chǔ)，也就引出了我們的新議題——大力推動(dòng)后量子加密技術(shù)的發(fā)展。
后量子加密是什么?
這是一種新的加密方法探索方向，其能夠利用現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，但卻具有足以抵御未來量子攻擊的能力。
其中一種防御方式在于進(jìn)一步增加數(shù)字密鑰的大小，以便持續(xù)提升黑客利用算力進(jìn)行暴力破解時(shí)所需要搜索的總體排列數(shù)量。舉例來說，如果將密鑰的大小從128位加倍至256位，將能夠快速增加使用Grover算法時(shí)量子計(jì)算機(jī)所需要搜索的全部可能排列數(shù)量。
另一種方法則涉及更為復(fù)雜的陷門函數(shù)，這意味著即使是像Shor這樣的算法也很難幫助量子計(jì)算機(jī)成功破解密鑰內(nèi)容。研究人員正在探索各種各樣的方法，包括基于格子的密碼學(xué)以及超奇異同構(gòu)密鑰交換等相當(dāng)新奇的實(shí)現(xiàn)途徑。
無論具體方法如何，新方法的目標(biāo)都在嘗試將一種或者幾種能夠廣泛采用的方法歸為一類。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院于2016年啟動(dòng)了一項(xiàng)流程，旨在制定政府使用的后量子加密標(biāo)準(zhǔn)。其目前已經(jīng)將最初的69個(gè)提案縮小至26個(gè)，并表示初步標(biāo)準(zhǔn)草案可能會(huì)在2022年前后正式公布。
由于加密技術(shù)需要被深深嵌入眾多不同的系統(tǒng)當(dāng)中，所以標(biāo)準(zhǔn)制定面臨著巨大的壓力，找到可行途徑并實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)也可能需要投入大量時(shí)間。去年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院研究報(bào)告指出，以往業(yè)界花了十多年時(shí)間才全面推出一種能夠廣泛部署的加密方法——但其中仍然存在缺陷。考慮到量子計(jì)算的發(fā)展速度，我們的世界也許已經(jīng)沒那么多時(shí)間用來應(yīng)對(duì)這一波新的安全威脅。
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