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[11561] 2017-07-18_量子计算从概念走入现实，公钥加密是否岌岌可危

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2017-07-18_量子计算从概念走入现实，公钥加密是否岌岌可危 量 子 计 算 从 概 念 走 入 现 实 ， 公 钥 加 密 是 否 岌 岌 可 危 原 创   E l a i n e _ z   F r e e B u f   2 0 1 7 - 0 7 - 1 8 量 子 计 算 ， 梦 幻 概 念 走 进 现 实 ， 那 如 果 走 向 商 业 化 呢 ？ 量 子 计 算 的 概 念 起 源 于 量 子 计 算 的 概 念 起 源 于 2 0 世 纪 世 纪 8 0 年 代 ， 量 子 物 理 学 蓬 勃 发 展 引 发 了 量 子 计 算 的 概 念 。 利 用 量 子 物 理 学 来 重 构 计 年 代 ， 量 子 物 理 学 蓬 勃 发 展 引 发 了 量 子 计 算 的 概 念 。 利 用 量 子 物 理 学 来 重 构 计 算 机 系 统 ， 思 考 量 子 算 法 的 理 念 不 仅 在 当 时 ， 在 今 天 听 起 来 也 像 是 某 种 梦 幻 。 越 来 越 多 的 科 学 研 究 结 果 之 下 ， 算 机 系 统 ， 思 考 量 子 算 法 的 理 念 不 仅 在 当 时 ， 在 今 天 听 起 来 也 像 是 某 种 梦 幻 。 越 来 越 多 的 科 学 研 究 结 果 之 下 ， 美 国 美 国   N I S T   研 究 机 构 自 去 年 起 设 立 的 量 子 阻 抗 计 划 也 在 持 续 推 进 中 。 量 子 计 算 从 概 念 走 入 现 实 ， 强 大 计 算 能 力 研 究 机 构 自 去 年 起 设 立 的 量 子 阻 抗 计 划 也 在 持 续 推 进 中 。 量 子 计 算 从 概 念 走 入 现 实 ， 强 大 计 算 能 力 甚 至 可 以 突 破 互 联 网 时 代 的 安 全 防 护 ， 未 来 时 代 的 安 全 是 否 是 岌 岌 可 危 的 呢 ？ 甚 至 可 以 突 破 互 联 网 时 代 的 安 全 防 护 ， 未 来 时 代 的 安 全 是 否 是 岌 岌 可 危 的 呢 ？ 本 文 整 合 分 析 了 量 子 计 算 的 重 要 概 念 ， 详 细 讲 述 其 对 于 公 开 密 钥 加 密 本 文 整 合 分 析 了 量 子 计 算 的 重 要 概 念 ， 详 细 讲 述 其 对 于 公 开 密 钥 加 密   R S A   的 威 胁 、 以 及 美 国 的 威 胁 、 以 及 美 国   N I S T   机 构 提 出 机 构 提 出 的 量 子 阻 抗 计 划 如 何 应 对 这 种 远 在 未 来 的 威 胁 。 的 量 子 阻 抗 计 划 如 何 应 对 这 种 远 在 未 来 的 威 胁 。 从 薛 定 谔 的 猫 到 量 子 计 算 从 薛 定 谔 的 猫 到 量 子 计 算 在 量 子 力 学 理 论 中 ， 微 观 粒 子 有 时 会 显 示 出 波 的 性 质 ， 有 时 又 会 显 示 出 粒 子 的 性 质 ， 在 不 同 条 件 下 分 别 表 现 出 波 动 或 粒 子 的 性 质 ， 这 种 称 为   波 粒 二 象 性 波 粒 二 象 性   的 量 子 行 为 是 微 观 粒 子 的 基 本 属 性 之 一 。
经 典 的 双 缝 干 涉 实 验 ： 我 们 窥 探 到 量 子 世 界 的 奥 秘 经 典 的 双 缝 干 涉 实 验 ： 我 们 窥 探 到 量 子 世 界 的 奥 秘 微 观 粒 子 一 旦 遭 到   观 测 观 测 ， 量 子 状 态 会 由 某 种 状 态 坍 缩 成 特 定 的 状 态 ， 观 察 者 也 会 得 到 一 个 观 测 值 。 当 然 ， 这 种 变 化 特 征 可 以 用 一 个 微 分 方 程 薛 定 谔 方 程 薛 定 谔 方 程 来 描 述 。 但 这 种 量 子 的 “ 一 观 测 就 坍 塌 ” 的 特 点 ， 还 是 和 宏 观 世 界 的 常 识 违 背 。 而 关 于 这 一 点 ， 我 们 平 常 最 常 看 到 的 通 俗 例 子 就 是 薛 定 谔 那 只 “ 不 死 不 活 不 死 不 活 ” 的 猫 ， 例 子 中 将 微 观 粒 子 的 特 征 衍 生 至 宏 观 物 体 上 ， 以 诠 释 量 子 力 学 与 正 常 物 理 常 识 的 违 背 。 薛 定 谔 的 猫 ： 死 去 活 来 薛 定 谔 的 猫 ： 死 去 活 来 普 通 计 算 机 使 用 一 个 比 特 （ b i t ） 中   0   与 1 的 两 种 状 态 存 储 数 据 ， 通 过 高 电 压 和 低 电 压 两 种 状 态 控 制 半 导 体 及 集 成 电 路 记 录 及 运 算 信 息 ； 而 量 子 计 算 机 的 存 储 单 位 ， 量 子 比 特 （ q u b i t ） 虽 然 也 可 具 有 两 个 逻 辑 态   0   和   1   ， 但 与 经 典 计 算 机 的 不 同 点 则 在 于 它 可 以 实 现 多 个 状 态 的   相 干 叠 加 态 相 干 叠 加 态   。 所 以 ， 制 造 出 来 的 量 子 计 算 机 就 可 以 通 过 控 制 原 子 或 小 分 子 的 状 态 ， 记 录 和 运 算 信 息 ， 存 储 和 运 算 能 力 都 能 超 越 经 典 计 算 机 。 举 例 来 说 ， 一 个 量 子 比 特 的 状 态 可 以 表 现 成
其 中 （ 因 为 是 复 数 ， 需 要 取 模 平 方 ） 。 也 就 是 说 ， 它 的 状 态 并 非 简 单 的 非 黑 即 白 ， 而 是 一 定 概 率 的   0   态 和 一 定 概 率 的   1 态 。 那 么 如 果 是   k   个 量 子 比 特 ， 即 会 有   2 k   个 的 叠 加 态 （ 0   至   2 k - 1 ） ， 能 描 述   2 ^ n   个 复 数 ， 远 远 大 于 传 统 计 算 机 中   k   个 比 特 所 能 描 述 的   2 ^ n   个 整 数 。 所 以 说 ， 在 经 典 世 界 中 我 们 不 可 能 叠 加   0 0 1   态 和   1 0 0   态 ， 因 为 这 两 个 状 态 的 电 压 叠 加 之 后 ， 我 们 无 法 区 分 原 来 的 态 ， 而 只 能 得 到 一 个 全 新 的   1 0 1   态 。 然 而 ， 在 量 子 世 界 之 中 多 种 状 态 的 叠 加 可 以 区 分 处 理 ， 一 个 操 作 可 以 同 时 对 叠 加 态 中 的 所 有 态 进 行 处 理 ， 因 此 如 果 找 到 行 之 有 效 的 对 应 算 法 ， 就 像 进 行 并 行 运 算 一 样 ， 可 以 显 著 降 低 时 间 成 本 。 凭 借 量 子 计 算 机 的 力 量 ， 快 速 傅 立 叶 变 换 快 速 傅 立 叶 变 换 （ F F T ） 的 复 杂 度 可 以 降 低 到   O ( l o g 2 ( n ) )   这 么 快 ， 由 于 我 们 只 需 要 利 用 l o g ( n )   个 量 子 比 特 就 可 以 描 述   n   维 向 量 了 ， 所 以 当 因 数 分 解 的 复 杂 度 迅 速 降 低 后 ， R S A   加 密 就 会 失 效 了 。 当 然 ， 如 果 需 要 在 现 实 生 活 中 看 到 或 者 运 用 量 子 计 算 的 能 力 ， 一 方 面 需 要 量 子 算 法 ， 另 一 方 面 则 也 需 要 物 理 层 面 实 现 的 量 子 计 算 机 。 量 子 计 算 对 公 钥 加 密 的 威 胁 量 子 计 算 对 公 钥 加 密 的 威 胁 我 们 对 于 一 项 技 术 有 一 点 了 解 的 时 候 ， 通 常 对 于 这 项 技 术 在 未 来 获 得 商 业 可 行 性 的 时 间 上 知 之 甚 少 ，   “ 这 项 技 术 是 什 这 项 技 术 是 什 么 么 ”   指 的 是 量 子 计 算 所 蕴 含 的 强 大 计 算 能 力 。   而   “ 什 么 时 候 实 现 什 么 时 候 实 现 ”   目 前 普 遍 认 为 ， 会 是 在 未 来   1 5   到   3 0   年 的 一 段 时 间 内 。 去 年 ， 来 自   G o o g l e   和   N A S A   的 科 学 家 们 认 为 ， D - W a v e   量 子 技 术 可 以 提 供 比 当 前 传 统 技 术 快 1 亿 倍 的 计 算 能 力 。 （ 尽 管   D - w a v e   不 是 通 用 型 量 子 计 算 机 ， 而 只 是 一 台 用 于   量 子 退 火 特 定 算 法 量 子 退 火 特 定 算 法   的 量 子 计 算 机 。 ） 但 未 来 的 量 子 计 算 机 的 算 力 依 旧 能 够 超 越 想 象 ， 轻 松 打 破 当 前 的 公 钥 密 码 系 统 。 那 么 面 对 飞 速 发 展 的 技 术 ， 我 们 不 得 不 思 考 现 在 的 量 子 加 密 问 题 ： 如 果 现 行 的 加 密 技 术 可 以 被 破 解 ， 我 们 应 该 如 何   考 考 虑 改 进 虑 改 进   当 前 的 公 钥 加 密 ？
1 9 9 4   年 年   P e t e r   S h o r   的 因 数 分 解 量 子 算 法 的 因 数 分 解 量 子 算 法 1 9 8 0   年 量 子 计 算 理 论 提 出 后 的 十 年 间 ， 在 实 践 上 曾 遭 遇 过 一 段 时 间 的 沉 寂 沉 寂 。 直 到   1 9 9 4   年 ， 彼 得 彼 得 · 肖 尔 肖 尔 （ P e t e r   S h o r ） 才 开 发 了 量 子 算 法 来 确 定 大 素 数 。 S h o r 算 法 可 以 非 常 高 效 地 进 行 大 数 因 子 分 解 大 数 因 子 分 解 ， 而 这 一 点 恰 恰 是 目 前 多 数 行 业 所 用 的 公 钥   R S A   系 统 的 安 全 依 靠 。 正 常 计 算 机 对 数   N   进 行 因 数 分 解 ， 运 算 时 间 随 输 入 长 度 指 数 增 长 ， 而 采 用 S h o r 算 法 则 可 以 在 不 到 一 秒 的 时 间 内 实 现 1 0 0 0   位 数 字 的 因 数 分 解 ， 但 由 于 缺 乏 量 子 计 算 机 ， 该 算 法 对 密 码 系 统 的 影 响 在 当 时 并 不 被 认 为 是 一 个 急 需 解 决 的 问 题 。 然 而 今 天 ， 量 子 计 算 的 发 展 让 我 们 更 接 近 这 个 问 题 的 答 案 。 如 果 量 子 计 算 在 未 来 1 5 年 内 在 商 业 上 逐 渐 变 得 可 行 ， 那 么 加 密 技 术 就 会 重 新 面 临 这 个 难 题 ： 受 到 目 前 世 界 上 最 受 欢 迎 的 公 钥 密 码 系 统 公 钥 密 码 系 统   R S A   保 护 的 数 据 将 会 变 得 可 读 ， 也 就 是 说 量 子 计 算 机 面 前 ， R S A   体 系 几 乎 是 透 明 的 ！ 如 果 商 业 化 过 程 还 要 更 久 的 时 间 ， 如 需 要 近 3 0 年 的 话 ， 那 么 我 们 可 能 还 有 时 间 来 思 考 和 解 决 这 个 问 题 。
可 能 失 效 的 密 码 与 可 能 抵 御 量 子 攻 击 的 密 码 可 能 失 效 的 密 码 与 可 能 抵 御 量 子 攻 击 的 密 码 当 然 ， 现 在 已 经 陆 续 有 各 种   理 论 假 设 理 论 假 设   提 出 — — 如 何 设 计 一 款 无 法 被 量 子 攻 破 的 安 全 加 密 方 法 ？ 目 前 提 出 的 方 案 。 已 有 如 基 于 网 格 的 密 码 ， 基 于 编 码 的 密 码 ， 和 基 于 多 变 量 算 式 的 密 码 等 等 ， 学 术 研 究 正 在 迅 速 跟 进 ， 弥 补 技 术 发 展 带 来 的 新 突 破 。 问 题 的 关 键 在 于 开 发 和 测 试 一 款 全 新 加 密 技 术 所 需 要 的 时 间 究 竟 会 需 要 多 长 ， 其 次 在 于 如 何 将 全 新 的 可 抵 御 量 子 攻 击 的 密 码 应 用 到 现 有 的 基 础 设 施 之 上 。 这 项 密 码 技 术 上 的 全 新 解 决 方 案 主 要 还 是 为 尽 快 建 立 量 子 安 全 的 公 钥 密 码 系 统 。 对 于 对 称 密 钥 密 码 系 统 来 说 ， 它 们 面 临 的 危 险 还 不 是 那 么 紧 迫 ： 对 称 密 钥 密 码 系 统 可 以 通 过 使 用 较 大 的 密 钥 来 解 决 这 个 问 题 ， 如   A E S   和   T r i p l e   D E S   等 对 称 算 法 ， 可 以 使 用 哈 希 函 数 得 到 较 长 的 输 出 。
2 0 1 6   年 年   N I S T   的 量 子 阻 抗 计 划 的 量 子 阻 抗 计 划 而 在 去 年 ， 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 所 （ N I S T ） 宣 布 了 一 项 新 的 计 划 来 开 发   量 子 阻 抗 公 钥 密 码 术 量 子 阻 抗 公 钥 密 码 术 。 他 们 回 顾 了 过 去 大 约 四 十 年 的 加 密 体 系 ， 某 些 数 学 问 题 的 “ 难 度 ” 被 用 作 大 多 数 公 共 密 钥 加 密 方 案 的 基 本 假 设 。 公 开 密 钥 密 码 体 制 是 现 代 密 码 学 的 基 石 ， 而 现 在 量 子 计 算 的 发 展 改 变 了 我 们 传 统 意 义 上 对 于 问 题 的   “ 难 度 ”   的 定 义 。 因 此 ， 我 们 自 1 9 8 0 s 以 来 所 有 运 用 公 钥 加 密 的 系 统 需 要 改 成 能 够   应 对 量 子 攻 击 应 对 量 子 攻 击   的 密 码 系 统 。 接 着 ， N I S T   继 续 分 析 了 目 前 量 子 计 算 的   发 展 状 态 发 展 状 态   ， 发 现 量 子 计 算 的 出 现 打 破 的 是 过 去 密 码 学 对 于 问 题   “ 难 度 ”   的 定 义 ， 对 于 常 规 计 算 机 而 言 较 为 困 难 或 棘 手 的 数 学 问 题 的 复 杂 度 在 量 子 计 算 机 看 来 不 值 一 提 ， 因 此 直 接 导 致   1 9 8 0 s   后 部 署 的 公 钥 加 密 是 可 被 量 子 攻 击 的 不 安 全 加 密 手 段 。 如 果 大 规 模 量 子 计 算 机 今 后 能 够 普 及 ， 那 么 将 能 够 打 破 目 前 正 在 使 用 的 许 多 公 钥 密 码 系 统 ， 并 将 严 重 影 响 互 联 网 及 各 地 数 字 通 信 的 保 密 性 和 完 整 性 。 他 们 提 出 应 当 将 这 部 分 密 码 系 统 替 换 成 可 抵 御 量 子 攻 击 的 量 子 阻 抗 密 码 。 而 鉴 于 一 种 密 码 系 统 理 念 从 理 论 走 向 可 行 应 用 ， 再 到 最 终 成 为 通 用 标 准 的 这 条 漫 漫 长 路 所 需 要 花 费 的 时 间 ， 还 需 要 考 虑 很 多 事 情 的 周 全 。 现 行 的 公 开 密 钥 密 码 体 制   肯 定 是 要 替 换 肯 定 是 要 替 换   的 新 的 密 码 系 统 成 为 通 用 标 准 会 花 费   很 久 很 久   的 时 间 的 时 间 同 时 需 要 做 到   向 后 保 证 安 全 向 后 保 证 安 全 当 今   时 代 时 代   和 2 0 世 纪 8 0 年 代   不 同 不 同 （ 网 络 、 电 子 支 付 ） 需 要 能 够 进 行 安 稳 而 平 滑 的   过 渡 过 渡 这 个 量 子 阻 抗 计 划 具 体 想 要 实 施 的 步 骤 还 是 分 为 两 大 块 ， 一 块 是 接 受 提 案 ， 寻 找 到 对 于 量 子 计 算 机 而 言 也 足 够 难 足 够 难 的 问 题 ， 在 这 些 困 难 问 题 中 识 别 哪 些 可 以 运 用 在 公 钥 系 统 中 的 (   l a t t i c e   b a s e d   之 类 ） 。 但 由 于 每 个 种 类 的 方 案 都 提 出 特 定 的 难 题 （ 既 有 理 论 ， 也 有 实 用 方 案 ） ， 还 是 需 要 同 步 进 行 很 多 分 析 ， 还 会 面 临 许 多 挑 战 。
我 们 可 以 看 到   N I S T   还 是 制 定 了 非 常 细 致 的 项 目 计 划 ， 收 集 提 案 、 组 织 会 议 、 进 行 议 题 的 推 进 和 学 术 分 享 。 N I S T   计 划 在   2 0 1 6   年 秋 季 开 始 接 受 建 议 书 的 提 交 ， 最 终 截 止 期 限 为   2 0 1 7   年   1 1   月   3 0   日 。 根 据 计 划 ， 他 们 预 计 将 会 持 续   3   -   5   年 的 项 目 分 析 阶 段 ， 而 在 完 成 分 析 后 的   2   年 时 间 后 推 出 量 子 阻 抗 公 钥 密 码 的 标 准 草 案 。   N I S T   的 计 划 已 经 在 2 0 1 6   年   1 2   月   1 5   日 开 始 接 受 建 议 提 交 。   目 前 该 计 划 仍 处 于 公 开 征 求 、 评 估 和 标 准 化 量 子 阻 抗 公 钥 密 码 算 法 的 过 程 中 ， 该 过 程 将 持 续 到 今 年 的   1 1   月   3 0   日 。 完 整 的 细 节 可 以 在 征 集 投 标 书 公 告 中 看 到 。 现 阶 段 的 大 型 量 子 计 算 机 何 时 建 成 的 问 题 还 不 明 确 答 案 ， 许 多 科 学 家 也 认 为 通 用 型 量 子 计 算 机 的 建 立 会 是 重 大 的 工 程 挑 战 。 甚 至 有 工 程 师 预 测 ， 在 未 来 二 十 年 的 时 间 内 ， 才 能 建 立 能 够 打 破 目 前 公 钥 模 式 的 量 子 计 算 机 。 但 从 历 史 上 看 ， 仍 然 需 要 近 二 十 年 的 实 践 才 能 真 正 部 署 更 先 进 的 现 代 公 钥 密 码 基 础 设 施 。 因 此 ， 无 论 我 们 是 否 能 够 估 计 量 子 计 算 时 代 到 达 的 确 切 时 间 ， 我 们 现 在 都 必 须 开 始 准 备 我 们 的 信 息 安 全 系 统 ， 以 抵 御 量 子 计 算 攻 击 。 * 本 文 作 者 ： E l a i n e ， 转 载 请 注 明 F r e e B u f . C O M
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