馬里蘭州國家標準與技術(shù)研究院（NIST）后量子密碼學(xué)（PQC）負責(zé)人 Dustin Mood 說："人們從上世紀 90 年代起就知道，大規(guī)模量子計算機將能夠破解我們所依賴的許多密碼系統(tǒng)。

1994 年，美國數(shù)學(xué)家 Peter Shor 開發(fā)出了整數(shù)因式分解和離散對數(shù)問題求解的量子算法。當(dāng)在足夠大的量子計算機上運行時，這些算法將能夠破解我們今天所依賴的所有公開密鑰加密系統(tǒng)。這包括任何基于 RSA、Diffie-Hellman 和橢圓曲線密碼學(xué)的系統(tǒng)--所有這些系統(tǒng)都是 NIST 標準，已被世界各國政府和公司所采用和信任。

雖然目前的量子計算機只能在微不足道的情況下運行肖爾算法，但許多專家預(yù)測，5 到 15 年后，量子計算機將足以破解當(dāng)今所有的公開密鑰加密系統(tǒng)。

防備量子密碼威脅

為了提前應(yīng)對這一威脅，NIST 在 2016 年發(fā)起了一項國際征集活動，征集即使大型量子計算機出現(xiàn)后也能保護數(shù)據(jù)的算法。經(jīng)過漫長的篩選過程，NIST 宣布打算在今年夏天將四種 PQC 算法標準化。

其影響將波及全球。雖然 NIST 標準是為美國政府機構(gòu)制定的，但它們往往會被世界上其他國家的政府和公司所采用。許多公共和私營機構(gòu)都使用這些標準，并要求其合作伙伴也這樣做。

據(jù) Moody 稱，包括英國、德國、法國和荷蘭在內(nèi)的一些國家已經(jīng)宣布打算使用 NIST 批準的四種 PQC 解決方案，國際標準化組織 (ISO) 也將把它們列入自己的規(guī)范清單。此外，許多與 NIST 合作開展選擇工作的大公司已經(jīng)在準備使用新標準。

即使在今年夏天算法正式獲得批準之前，首席信息官們也應(yīng)該開始采取措施。Moody 建議他們先做一份加密清單，看看他們及其合作伙伴使用的公鑰加密系統(tǒng)。這并不容易，但有幾家供應(yīng)商正在開發(fā)工具來幫助完成這一過程。

首席信息官還可以確保指派專人領(lǐng)導(dǎo)過渡工作，并確保他們擁有所需的資金和專業(yè)人員。企業(yè)還可以開始在其環(huán)境中測試算法，并檢查其供應(yīng)鏈合作伙伴是否也在這樣做。

安永全球首席創(chuàng)新官 Jeff Wong 說，即使他們還沒有被要求做出改變，首席信息官們也可以開始將 NIST 批準的算法規(guī)劃到他們的網(wǎng)絡(luò)安全升級中。"公司通常有三到四年的網(wǎng)絡(luò)安全升級周期，"他說。"如果量子計算有可能在五年內(nèi)破解密鑰，而你的升級周期是三到四年，那么你就必須在一年左右開始采取行動。"

首席信息官們應(yīng)該做的另一件事是防范 "先存儲，后解密 "的攻擊。黑客可能已經(jīng)在收集加密數(shù)據(jù)，一旦量子計算機變得足夠大、足夠可靠，可以運行肖爾算法，他們就可以解密這些數(shù)據(jù)。有些行業(yè)受到的影響比其他行業(yè)更大，比如醫(yī)療保健、金融服務(wù)和高等教育，這些行業(yè)的醫(yī)療記錄、財務(wù)信息和學(xué)術(shù)記錄需要終生保護。但幾乎所有行業(yè)都應(yīng)該關(guān)注需要無限期保護的個人身份信息 (PII)。

Wong 認為，首席信息官應(yīng)考慮確保傳輸中的數(shù)據(jù)安全，以防范此類攻擊，尤其是與政府相關(guān)的合同。"他說："公司可能不會大聲談?wù)撨@個問題。"但我們通過生態(tài)系統(tǒng)中的朋友了解到，政府供應(yīng)商和金融服務(wù)等行業(yè)的公司已經(jīng)計劃加密他們的通信，原因就在于此。"

但是，一些金融服務(wù)機構(gòu)已經(jīng)非常坦誠地表示要搶占先機。"匯豐銀行量子技術(shù)全球主管 Philip Intallura 說："在美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）對 PQC 協(xié)議進行標準化的過程中，我們一直在密切關(guān)注他們的工作。"為這種新型加密技術(shù)做好準備是匯豐量子計劃的核心部分。

2022 年 4 月，該銀行正式制定了量子技術(shù)計劃，并成立了一個由內(nèi)部博士科學(xué)家組成的專門研究團隊，以探索各種機會。"Intallura說："作為我們工作組合的一部分，我們關(guān)注與國防和計算相關(guān)的用例。

NIST 標準在他們的防御工作中占有重要地位。"他補充說："我們正在開發(fā)幾個用例，這將有助于我們了解如何在特定應(yīng)用中采用 PQC。"鑒于 PQC 的可擴展性，考慮到我們在全球 62 個市場的業(yè)務(wù)，我們預(yù)計它將成為我們未來加密技術(shù)的重要組成部分。

了解機遇

"在計算方面，我們正在探索量子技術(shù)，以尋找新興的商業(yè)機會，"伊塔盧拉說。"我們每天在銀行中運行的模型類型與量子計算機能夠消耗的模型類型非常匹配。"匯豐銀行的量子技術(shù)團隊與不同的業(yè)務(wù)線和職能部門合作，探索和測試實際應(yīng)用案例，包括投資組合優(yōu)化、量子機器學(xué)習(xí)和金融模擬。

一旦量子計算機的規(guī)模足以用于工業(yè)，它們將迅速改變金融服務(wù)和其他行業(yè)的競爭性質(zhì)?？梢越鉀Q的日常問題包括電力分配、尋找交通網(wǎng)絡(luò)中的最佳路線，以及確定金融投資組合中的最佳配置組合。量子計算還可用于模擬分子，這是開發(fā)新藥物和催化劑以及化學(xué)研究和材料科學(xué)的一項基本技術(shù)。

芬蘭技術(shù)研究中心（VTT）量子算法和軟件團隊負責(zé)人 Ville Kotovirta 認為，量子計算也可用于機器學(xué)習(xí)（ML），這將影響幾乎所有行業(yè)。ML就是一個需要混合安排的用例的很好例子。"他說："由于量子計算機還不能處理大量數(shù)據(jù)，超級計算機可以保存數(shù)據(jù)并執(zhí)行部分操作。

超級計算機上存儲的數(shù)據(jù)被編碼成量子信息，然后交給量子機器進行處理。然后對電路進行測量以獲得結(jié)果，再將結(jié)果轉(zhuǎn)換回經(jīng)典數(shù)據(jù)。超級計算機可能會對輸出進行一些后處理，以減少計算中的錯誤。

這兩個系統(tǒng)還能共同調(diào)整參數(shù)。"科托維塔說："有一種算法被稱為變異算法，在這種算法中，量子電路中的自由參數(shù)需要使用經(jīng)典計算機進行優(yōu)化。"例如，柵極旋轉(zhuǎn)是自由的，需要通過多次重復(fù)這一過程進行優(yōu)化。電路在量子計算機上進行評估，然后在經(jīng)典計算機上調(diào)整參數(shù)。這樣來回重復(fù)幾次才能得到正確的設(shè)置。隨著量子計算機變得越來越大，優(yōu)化任務(wù)將需要更多的經(jīng)典處理能力。

測量準備狀態(tài)

Ville 說，雖然量子計算已經(jīng)很容易實現(xiàn)，但到目前為止，它只能解決一些微不足道的問題。但根據(jù) IDC 的數(shù)據(jù)，即使在目前的狀態(tài)下，量子計算的市場規(guī)模也已超過 10 億美元。這包括設(shè)備開發(fā)、控制硬件的軟件、云服務(wù)和應(yīng)用開發(fā)。

"整個世界都在排練，學(xué)習(xí)如何制造這些設(shè)備，如何開發(fā)應(yīng)用，以及如何應(yīng)用它們，"科托維塔說。"人們正在建造量子準備就緒，因為一旦這項技術(shù)開始提供優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備的好處，事情就會發(fā)生得非常快"。

首席信息官需要考慮的一個問題是，誰應(yīng)該使用這些服務(wù)--是管理人員、內(nèi)部專家，還是外部顧問。"科托維塔補充說："你需要了解你的使用案例，并考慮從哪里獲得專業(yè)知識，是內(nèi)部還是通過顧問。

在某些行業(yè)，沒有必要立即開始使用量子計算，因此 IT 領(lǐng)導(dǎo)者可以等到一些問題解決之后再開始使用。作為在線零售商 Partner.co 的首席信息官，Troy Hiltbrand 發(fā)現(xiàn)，雖然零售業(yè)的從業(yè)人員應(yīng)該在今年采取措施解決 PQC 問題，但他們并不急于應(yīng)用量子計算來獲得競爭優(yōu)勢。與金融服務(wù)等行業(yè)相比，這些行業(yè)的機會并不那么直接。

合作伙伴

Hiltbrand 認為，在量子計算為工業(yè)界做好準備后不久，就需要有一個簡單的界面，讓最不懂技術(shù)的行政人員也能使用量子計算。"他說："然后，它就會像今天的人工智能一樣，一飛沖天。