背景

目前的社會工程、釣魚郵件、勒索軟件攻擊等都是由黑客和傳統計算機完成的，如果黑客擁有一臺量子計算機，那么將在瞬間完成攻擊，破解銀行賬號密碼竊取資金和信息等。此外，量子計算機還可以快速解密所有的流量信息。然而，量子計算機已經離我們越來越近了。

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2019年，谷歌用53-Qubit的量子計算機證明了量子計算系統具備某些特殊能力可擊敗傳統計算機(以2分30解決了超級計算機1000年才能解決的問題)，雖然IBM持有不同的意見，認為不需要1000年，僅需2天。但是本質上已經說明，量子計算機確實在特殊問題上超越了傳統的超級計算機，這無疑會將人類帶去一個從來就沒有探索觸及過的新天地。

2020年12月3日，《科學》雜志在線發表了中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作的研究成果——“九章”量子計算機。“九章”是76 個光子 100 個模式的量子計算原型機，實現了具有實用前景的 “高斯玻色取樣”任務的快速求解。根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍(“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年)。其速度比去年谷歌發布的 53 個超導比特量子計算原型機快一百億倍。

目前全球已經在開展保護數據和通信以應對量子計算機威脅的研究。后量子密碼學就是可以抵抗量子計算機攻擊的密碼學算法。

量子計算是什么?

傳統的計算機用比特來編碼信息，每個比特用1或0來表示。量子計算機處理的是量子比特。量子計算機，就是由量子比特單元組建的量子中央處理器，在運行上，量子芯片遵循量子算法，對量子信息進行高效處理。量子計算機就是這樣一種運算機器。現在的計算機使用的是電子的兩種狀態，也就是0和1，但是量子計算機則是使用電子的32個量子態，這讓量子計算機擁有難以想象的、強大的并行計算能力。一個由250量子比特(包含250個原子)的存儲器，可能存儲數據高達2的250次方，比目前宇宙中所有的原子量還多。

量子計算對密碼學的影響

Peter Shor 和 Lov Grover分別在1994年和1996年成功提出了兩個使用量子并行性(quantum parallelism) 的算法。Shor 提出的方法可以攻破所有的公鑰加密算法，因為公鑰加密算法的安全性依賴于大整數分解或離散對數難題。包括RSA、EC-DSA、ECDHE等在內的公鑰加密和簽名方案受到影響。Grover提出的算法可以減少暴力破解攻擊所需的時間。對AES和TDES 這樣的公鑰加密算法，只要擁有一臺量子計算機，256比特的密鑰的安全性相當于目前傳統計算機對應的128比特的安全性。Grover提出的算法減少了碰撞攻擊的時間，降低了哈希函數的安全強。有了量子計算機后，SHA256的安全強度也從128位降到了80位，SHA384的安全強度從192位降到了128位。

量子計算機對傳統安全的威脅

量子計算機不僅僅可以打破加密通信，還可以破解目前經過加密的數據。如果有了量子計算機，用于認證和機密性的加密方案和密鑰交換都需要改變;對對稱密碼學來說，不僅僅需要一種交換私鑰的方式，還需要增加對稱密鑰的大小和哈希的大小。

美國國家標準和技術研究所NIST目前領導推進著一個名為后量子標準化(Post Quantum Standardization，PQS)的項目，旨在定義新的可應對量子計算機威脅的新算法。PQS 項目目前已經進入最后階段，預計2年內將能夠完成。

量子安全計算的過渡

為了實現到量子安全計算的過渡，SSH、IPSec、SSL\TLS等安全協議也需要進行升級，這些協議既需要與現有的協議相結合，也需要引入額外的一層來建立安全通信以應對對量子攻擊的保護。

這一改變會對非對稱加密和密鑰生成算法產生影響，需要增加對稱密碼學算法的密鑰大小。因此也會對性能和帶寬帶來影響。硬件廠商也需要對硬件進行升級以實現與這些新算法的一致和過渡。

本文翻譯自：https://blog.checkpoint.com/2020/12/07/living-in-a-post-quantum-cryptography-world/