量子計(jì)算技術(shù)正在世界范圍內(nèi)展開(kāi)著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，但是，黑客們也正在關(guān)注這一技術(shù)的發(fā)展。如果未來(lái)黑客通過(guò)量子計(jì)算技術(shù)來(lái)破解通信網(wǎng)絡(luò)，世界將會(huì)變得怎么樣？

近日，《麻省理工科技評(píng)論》與阿聯(lián)酋阿布扎比技術(shù)創(chuàng)新研究所聯(lián)合發(fā)布綜述報(bào)告《從今天起，直面明天的量子黑客》。

該報(bào)告通過(guò)對(duì)密碼學(xué)專家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和全球量子計(jì)算公司高級(jí)管理人員進(jìn)行采訪，目的在于評(píng)估量子計(jì)算機(jī)以后威脅當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的途徑，以及現(xiàn)在的企業(yè)和相關(guān)組織應(yīng)該采取哪些措施來(lái)保護(hù)自己。

量子計(jì)算的飛速發(fā)展

量子計(jì)算依賴于量子力學(xué)的特性，以計(jì)算現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，并在過(guò)去幾年中取得了重大進(jìn)展。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)具有較高的計(jì)算能力、較低的能量消耗和指數(shù)速度。

現(xiàn)在， 全球的科技企業(yè)諸如谷歌、IBM以及很多初創(chuàng)公司正在構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。早在2019年，谷歌便發(fā)布了其量子計(jì)算機(jī)，成為當(dāng)時(shí)最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)，并宣布其實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的區(qū)別在于，它們處理或傳輸數(shù)據(jù)的方式不同。例如經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過(guò)二進(jìn)制算法，一次計(jì)算中只能表示這兩值中的一個(gè)。然而，量子計(jì)算機(jī)使用的量子位可以是兩數(shù)值的疊加狀態(tài)的任何一種，如果使用多個(gè)量子比特并且使它們處于糾纏狀態(tài)，那么計(jì)算機(jī)的工作能力將會(huì)獲得指數(shù)級(jí)別的提高。也正是因?yàn)檫@一量子力學(xué)原理，量子計(jì)算機(jī)才有望超越當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

所以，理論上隨著量子比特位數(shù)量的進(jìn)一步提高，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)將會(huì)發(fā)展到這樣一個(gè)水平，即在幾分鐘內(nèi)就可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)萬(wàn)年才可完成的復(fù)雜計(jì)算。

此外，量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力有望在很多量子領(lǐng)域上發(fā)揮積極的作用，例如在藥物研發(fā)中，通過(guò)快速篩選分子到藥物的快速研發(fā)、制定復(fù)雜的物流規(guī)劃、增強(qiáng)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)以及財(cái)務(wù)能力建模等。

現(xiàn)在世界各地的政府和公司都開(kāi)始認(rèn)識(shí)到量子計(jì)算的強(qiáng)大能力。據(jù)波士頓咨詢集團(tuán)2021年出具的報(bào)告顯示，量子計(jì)算可能在未來(lái)十幾年到三十幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)千億美元的商業(yè)價(jià)值。另外，根據(jù)加拿大高級(jí)研究所的報(bào)告，截至2021年1月，十幾個(gè)國(guó)家共同參與起草了國(guó)家間倡議書，目的是集合更多力量支持量子技術(shù)的研發(fā)。

除了國(guó)家政策的導(dǎo)向，很多科技公司例如谷歌、IBM、微軟、霍尼韋爾、日立等紛紛加入這場(chǎng)“量子計(jì)算研發(fā)競(jìng)賽”中。例如在2021年，IBM宣布已經(jīng)制造出世界上最大的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，該量子計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)高達(dá)127量子比特。

而就在IBM發(fā)布這臺(tái)超大型量子計(jì)算機(jī)之前的幾個(gè)月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布其66量子位的“祖沖之號(hào)”處理器，它超過(guò)更早之前的谷歌54量子計(jì)算機(jī)Sycamore6。同時(shí)，很多初創(chuàng)公司也在發(fā)力，加拿大量子科技公司XanaduQuantum Technologies開(kāi)發(fā)了一種基于光波科學(xué)的量子計(jì)算機(jī);美國(guó)量子計(jì)算公司IonQ現(xiàn)在正在將一種基于原子粒子的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行商業(yè)化發(fā)展;2022年2月，加拿大量子計(jì)算公司D-Wave Systems在紐約公開(kāi)上市，成為全球第一家上市的量子計(jì)算公司。

現(xiàn)在量子技術(shù)正在蓬勃地發(fā)展，從材料科學(xué)到藥物研究等各個(gè)領(lǐng)域，很多技術(shù)公司都希望充分利用量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)一步地發(fā)展原有技術(shù)。例如I o n Q 和韓國(guó)現(xiàn)代汽車在2022年初宣布他們達(dá)成合作關(guān)系，面向鋰化合物及其電池技術(shù)使用量子計(jì)算機(jī)展開(kāi)深入研究。由此可見(jiàn)未來(lái)將有更多資金投入到該領(lǐng)域，全面量子計(jì)算時(shí)代即將到來(lái)。

強(qiáng)大的量子計(jì)算可能攻破現(xiàn)在的密鑰防御系統(tǒng)

目前，“量子競(jìng)賽”快速發(fā)展，并且在多領(lǐng)域的技術(shù)上發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。但是，強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)也令人擔(dān)憂，因?yàn)楹诳鸵查_(kāi)始注意到了量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大能力，他們可能會(huì)利用量子計(jì)算打破世界上最好的數(shù)字防御——公鑰密碼系統(tǒng)。

如何破解密鑰系統(tǒng)呢？這個(gè)過(guò)程與打開(kāi)保險(xiǎn)箱類似，如果事先知道密碼便可以輕松地破解。但是如果不知道密碼，就必須不斷地嘗試不同的數(shù)字組合以進(jìn)行破解，這對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是非常難的。密碼學(xué)正是通過(guò)使用一組密鑰，以及加密和解密算法來(lái)安全地發(fā)送消息。原始消息使用加密算法進(jìn)行加擾，然后使用密鑰鎖定并發(fā)送。

當(dāng)消息到達(dá)接收者時(shí)，使用密鑰和解密算法對(duì)消息進(jìn)行解碼或者解鎖。在對(duì)稱加密中，用于加密和解密的數(shù)字密鑰相同。在非對(duì)稱加密中， 使用公開(kāi)可用的密鑰進(jìn)行加密，這就是為什么這種方法也被稱為“公鑰加密” ， 但獲取到的消息卻是“ 私鑰解密”。

公鑰密碼學(xué)使強(qiáng)大的身份驗(yàn)證、加密、密鑰交換和數(shù)字簽名成為可能，它構(gòu)成了當(dāng)今眾多互聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。幸運(yùn)的是，今天的公共網(wǎng)絡(luò)安全防御具有極其堅(jiān)固的鎖，即使是當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法計(jì)算出如何破解它們。

但量子計(jì)算最終可能會(huì)改變這一點(diǎn)，未來(lái)黑客可以利用量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力，來(lái)破解當(dāng)今保護(hù)各種基于網(wǎng)絡(luò)的通信和協(xié)議的加密。通過(guò)量子計(jì)算機(jī)更快地找到所有密鑰組合， 進(jìn)而更容易地進(jìn)入系統(tǒng)。因此，未來(lái)也許會(huì)看到一臺(tái)完全可操作的量子計(jì)算機(jī)攻破現(xiàn)在的公鑰密碼系統(tǒng)。

目前將對(duì)公鑰密碼系統(tǒng)造成威脅的量子計(jì)算機(jī)被稱為密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)。這樣的計(jì)算機(jī)現(xiàn)在尚未出現(xiàn)，因?yàn)槊艽a相關(guān)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)需要數(shù)以百萬(wàn)的量子比特位。目前，除了IBM的127量子位量子計(jì)算機(jī)，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)處于50～100量子位的水平，這些量子計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境非常敏感，這導(dǎo)致它們不能穩(wěn)定地工作。FD8DB558-F36B-4E8F-B87C-73413CAFC195

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授指出，現(xiàn)在的量子計(jì)算發(fā)展正逐漸向密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)逼近。目前，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，最具挑戰(zhàn)性的階段是構(gòu)建可編程通用的量子計(jì)算機(jī)，這將會(huì)對(duì)破解經(jīng)典加密系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)集搜索和人工智能產(chǎn)生重大影響。

潘建偉對(duì)媒體表示，這種影響是需要網(wǎng)絡(luò)安全部門值得關(guān)注的問(wèn)題，盡管現(xiàn)在還需要多久能達(dá)到這樣的密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)水平仍然是個(gè)未知數(shù)。但是，以目前的發(fā)展速度來(lái)說(shuō)可能只需要15年～20年就可以實(shí)現(xiàn)最后一個(gè)目標(biāo)。

同時(shí)，密碼學(xué)專家警告說(shuō)，當(dāng)今的公鑰系統(tǒng)是很容易受到攻擊， 一旦發(fā)生這種情況，金融交易、軍事戰(zhàn)略、專有信息、醫(yī)療保健系統(tǒng)、在線購(gòu)物、社交媒體應(yīng)用程序等可能會(huì)受到攻擊。對(duì)于現(xiàn)在這些使用公鑰密碼術(shù)來(lái)進(jìn)行重要信息保護(hù)的系統(tǒng)，如果現(xiàn)在對(duì)密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有相關(guān)對(duì)策，那么將來(lái)就可能“束手無(wú)策”。

如何應(yīng)對(duì)密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的威脅呢？

為了使這些系統(tǒng)受到密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)攻擊時(shí)不會(huì)造成防御安全系統(tǒng)崩潰，目前科研人員正在嘗試使用物理學(xué)和數(shù)學(xué)的方法，例如現(xiàn)在正在廣泛研究的使用量子力學(xué)來(lái)安全地傳輸數(shù)據(jù)。一種被稱為“量子密鑰分發(fā)”的過(guò)程推動(dòng)了這種方法。以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的安全過(guò)程稱為“抗量子密碼學(xué)”或“后量子密碼學(xué)”，它依賴于一組可以抵御量子計(jì)算攻擊的強(qiáng)大數(shù)學(xué)算法。

為此，很多公司也以此為商機(jī)積極地進(jìn)行研發(fā)，來(lái)自日內(nèi)瓦的ID Quantique公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官格雷瓜爾·里博迪表示，雖然現(xiàn)在有很多進(jìn)展，也有很多資金投入，但仍舊很難預(yù)測(cè)進(jìn)展速度。

同時(shí)，現(xiàn)在也有很多專家們表示，現(xiàn)在社會(huì)需要過(guò)渡到“后量子加密”時(shí)代。為了防御這種量子攻擊，后量子密碼算法正在成為一種高效且有效的解決方案。

它指的是一組新的密碼算法，特別是公鑰算法。各種規(guī)模和跨領(lǐng)域的企業(yè)以及公共機(jī)構(gòu)和其他組織，開(kāi)始越來(lái)越緊迫地使其系統(tǒng)邊得具有加密敏感性。使其系統(tǒng)具有加密敏捷性，并在其安全框架中采用這種抗量子算法。

2016年，作為密鑰標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的發(fā)布者，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院公開(kāi)呼吁研發(fā)對(duì)抗量子的密鑰算法，創(chuàng)新研究院密碼學(xué)研究中心的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)后量子密碼算法庫(kù)，該密碼算法庫(kù)可以為公鑰加密、密鑰封裝和數(shù)字簽名提供了多種方案。

同時(shí)， 后量子密碼學(xué)仍然面臨很多挑戰(zhàn)，一是與算法本身的開(kāi)發(fā)直接相關(guān)，二是如何實(shí)現(xiàn)廣泛地采用。如果沒(méi)有開(kāi)發(fā)一個(gè)完全可操作的量子計(jì)算機(jī)，就很難真正測(cè)量量子抵抗算法的強(qiáng)度。

為解決這個(gè)問(wèn)題， 對(duì)抗量子算法的發(fā)展將是迭代和持續(xù)進(jìn)行的。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院希望繼續(xù)進(jìn)行第一輪經(jīng)過(guò)審查的算法，并在進(jìn)一步地研究后繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。接下來(lái)是如何解決后量子算法的接受度問(wèn)題，切換到后量子密碼系統(tǒng)，在工作量和成本方面將是巨大的。

為了簡(jiǎn)化向后量子密碼算法的轉(zhuǎn)變，行業(yè)和政府正在關(guān)注一種混合方法，將一種抗量子算法與現(xiàn)行的密碼算法進(jìn)行分層。其大致原理是，如果一個(gè)安全層受到損害，那么仍然能依靠另一層進(jìn)行保護(hù)。阿聯(lián)酋阿布扎比技術(shù)創(chuàng)新研究所密碼學(xué)研究中心的首席研究員納杰瓦· 阿拉杰表示，“我們需要大量的基礎(chǔ)性工作來(lái)為后量子密碼算法做準(zhǔn)備?！?/p>

企業(yè)用戶應(yīng)該確保加密算法的敏捷性，以便他們可以更輕松地采用新的對(duì)抗量子算法。但實(shí)際上，目前很多公司的防御代碼并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)模塊化，這意味他們的安全策略切換不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行或者直接切換代碼系統(tǒng)。

因此， 如果想順利過(guò)渡到后量子密碼算法，對(duì)于公司來(lái)說(shuō)還有很多基礎(chǔ)工作需要進(jìn)行，例如重構(gòu)安全代碼庫(kù)或者使用混合系統(tǒng)取代傳統(tǒng)加密方案。

政府和企業(yè)應(yīng)該聯(lián)手對(duì)抗密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的威脅

現(xiàn)在世界上各個(gè)國(guó)家都已經(jīng)意識(shí)到量子計(jì)算機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全造成的威脅，因此，他們需要為與量子計(jì)算建立、健全相關(guān)的立法，以及為過(guò)渡到后量子密碼時(shí)代做好準(zhǔn)備工作。阿拉杰十分擔(dān)心世界各地對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的量子黑客事件準(zhǔn)備不足，并且，黑客很可能通過(guò)現(xiàn)在獲取到的存儲(chǔ)信息，在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行解密和攻擊。

另外關(guān)鍵的問(wèn)題在于，很多政府對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)安全性缺乏全面的了解。2022年1月，美國(guó)白宮于發(fā)布了一份國(guó)家安全備忘錄《關(guān)于改善國(guó)家安全、國(guó)防部和情報(bào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全》，計(jì)劃在該備忘錄發(fā)布的6個(gè)月內(nèi)對(duì)其加密系統(tǒng)進(jìn)行逐一清點(diǎn)，并報(bào)告那些無(wú)法勝任后量子算法的系統(tǒng)。

同時(shí)，政府還需要通過(guò)投資為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。除了投資于研究，政府還應(yīng)該積極行使國(guó)家機(jī)器的權(quán)利進(jìn)行立法，以展示政府應(yīng)對(duì)該威脅的積極行動(dòng)，并且需要建立一個(gè)應(yīng)急框架來(lái)監(jiān)督行動(dòng)的進(jìn)展情況。

美國(guó)在2021年頒布的《國(guó)防授權(quán)法》要求評(píng)估量子計(jì)算對(duì)國(guó)家安全系統(tǒng)的威脅，它也促進(jìn)了量子研究并提供了與研究量子威脅相關(guān)的科研資金。目前來(lái)說(shuō)，確保所有國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)在相似的軌道上取得共同進(jìn)展是十分重要的，這將是全球網(wǎng)絡(luò)安全防御的關(guān)鍵。

同樣地，企業(yè)用戶的行動(dòng)也至關(guān)重要，IBM商業(yè)價(jià)值研究院曾針對(duì)其多名高管的調(diào)查問(wèn)卷顯示，89%的人認(rèn)為量子計(jì)算與公司未來(lái)兩三年內(nèi)的業(yè)務(wù)沒(méi)有直接關(guān)系。這表明，很多公司員工并沒(méi)有正視量子計(jì)算將來(lái)帶來(lái)的威脅。因此，企業(yè)現(xiàn)在需要開(kāi)始為即將發(fā)生的事情做準(zhǔn)備，并開(kāi)始向后量子密碼時(shí)代過(guò)渡。

霍尼韋爾的量子計(jì)算子公司Quantinuum網(wǎng)絡(luò)安全主管鄧肯·瓊斯警告說(shuō)，處理敏感和有價(jià)值信息的企業(yè)必須抓緊行事，因?yàn)椤翱赡軙?huì)陷入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的交火之中”。作為公司的最高管理層，需要隨時(shí)了解該領(lǐng)域的最新發(fā)展，“我們與密碼相關(guān)的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)系在哪里？”“行業(yè)最新動(dòng)態(tài)是什么？”。

美國(guó)量子計(jì)算軟件公司Strangeworks的首席執(zhí)行官威廉·赫利表示，這些都是要不斷提出的問(wèn)題，他將自己的創(chuàng)業(yè)公司描述為，專注于將量子計(jì)算人性化研究并讓所有人都可以使用的公司。

他表示， 現(xiàn)在量子領(lǐng)域發(fā)生了很大變化，現(xiàn)在認(rèn)為10年～20年之后的事情，實(shí)際上可能會(huì)在三四年的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生，并將創(chuàng)造我們必須應(yīng)對(duì)的全新網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)。

和政府一樣，所有企業(yè)或者公司都需要評(píng)估其現(xiàn)有安全狀況，并將其納入向后量子系統(tǒng)過(guò)渡的計(jì)劃中。他們還需要評(píng)估進(jìn)出企業(yè)系統(tǒng)的信息流的安全性，以及基本的網(wǎng)絡(luò)安全原則。要知道只有最薄弱的環(huán)節(jié)安全才是真正的安全。

阿拉杰表示，加密操作的敏捷性十分關(guān)鍵，公司的技術(shù)堆棧需要模塊化，并且能夠適應(yīng)即將出現(xiàn)的抗量子算法，因此企業(yè)需要選擇適合其自身的實(shí)踐方案。

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗量子算法不可能一蹴而就，但它也是迫在眉睫的需求。網(wǎng)絡(luò)黑客們?yōu)楂@取敏感數(shù)據(jù)而采用的“先收獲后解密”方法是真實(shí)存在的，企業(yè)和政府都需要做好相應(yīng)的完全準(zhǔn)備。

隨著企業(yè)逐漸知曉未來(lái)即將面臨的問(wèn)題，過(guò)渡的混合模式可能是一個(gè)好主意，但是公司需要明確的計(jì)劃來(lái)確保自己向后量子密碼算法進(jìn)行轉(zhuǎn)變。正如阿拉杰所說(shuō)的一樣，“我們今天需要保護(hù)自己免受未來(lái)技術(shù)的影響”。FD8DB558-F36B-4E8F-B87C-73413CAFC195