量子計算機輕松破解加密算法 如何破解加密算法?

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。目的主要是为了解决计算机中的能耗问题。

听到“量子计算”这个名字，就感觉是电子科技的高端领域。以最直白的方式表达，量子计算的核心就是计算速度相较传统晶体管计算机的大幅跃升。一旦计算能力获得极为可观的提升，就能解决普通计算机无法解决的问题，比如设计新一代材料、研制新的药物、医学成像等等。

可是，计算能力的大幅跃升还为网络安全带来一个副作用：当代的许多加密算法将变得相当脆弱。滑铁卢大学量子计算学院的联合创始人Michele Mosca（也是圆周理论物理研究所的研究人员）最近在Global Risk Institute发表了一篇题为《 量子计算：网络安全新威胁的文章 》。此人在量子计算机领域的加密方面有相当的研究。

他在这篇文章中特别提到：我们现在所用的部分加密工具，到2026年就有1/7的概率遭破解；到了2031年，这个数字又会上升到50%。也就是说，到那个时候，如果我们还在用现在的加密机制，那么即便网络传输的数据经过了加密，也可通过暴力破解来解密——这也是量子计算能够带来的“便利”。

还没准备好迎接量子攻击

量子计算的本质说起来并不复杂，它相较我们平常在用的计算机主要是底层用来表达1、0数据的最基本物理层面的差异。常规的计算机，信息存储，每一个比特位（bit）就代表一个1，或者一个0；而量子力学允许一个比特位同时表达0和1的状态（所谓的量子叠加态）。这就让量子比特包含的信息，比传统的经典比特要多得多——这其实就是量子计算机计算能力远高于传统计算机的原因。

如果上面这段看不懂也没关系，总之就是量子计算机的计算能力强得多。科学家和工程师都很渴望打造完全形态的量子计算机，因为其并行计算能力、解决更复杂的计算问题都彪悍得多。所以全球各国都在着力量子科学和技术的开发。

计算能力的极速飙升带来了一个副产品：破解加密工具成为可能。而加密或许可以说是当代网络安全的一块基石。无论是用于身份验证和防篡改的数字签名，还是通讯过程中的数据加密密钥，都可能在量子计算崛起后不再安全。

实际上，信息安全行业总是在面临新的挑战：产品出现漏洞就去修复，恶意程序来了就着力查杀，就连APT攻击也能追本溯源，基本难度很大。但量子计算给安全行业带来的难题在于，一旦加密这块基石被破，除非有全新解决方案替代现有加密算法，否则人类几乎是无计可施的。因为人们根本就没有准备好应对量子计算带来的安全威胁，而量子计算的时钟已经开始走时了。

或许要“修复”该问题，大概需要花上几年的时间来寻找解决方案，并且全面替换当前的加密“基石”。在Mosca看来，“虽然量子攻击还没有发生，现在就需要做出关键决策了，唯有如此，未来才能对这样的威胁做出响应。”

应对之道在哪儿？

“设计更为灵活的加密系统（more cryptographically agile），可快速从一种加密工具转往其他工具，这能够促进最终转向可应对量子计算的加密算法。”

Mosca将之称作“quantum-safe”量子安全的加密方法。这种加密方法需要能够包含免疫已知量子攻击的协议；还需要包含量子加密协议，对数学暴力破解免疫——这可能就需要更多资源的“量子通讯通道”了，比如说采用光纤；最后，就是上面提到的加密灵活性，令其足以随时应对新出现的攻击威胁。

其实就这几点来看，的确人类都还没有做好准备。不过实际上已经有部分组织和企业开始着手这方面的研究了，比如说NIST（美国国家标准与技术研究员）。NIST于今年4月份发布了一份 报告 ，提出在量子攻击出现之前需要采取的长期应对措施。

“近两年已经有不少针对量子计算机的研究了，从大型计算机公司再到政府，都希望他们的加密算法能够抵御量子计算（quantum resistant）。如果有人打造了一台大规模量子计算机，我们希望那个时候所用的算法，将是其无法破解的。”

NIST提出的方案也是首先专注于加密灵活性，也就是能够以最快的速度转向新的算法；而打造更为安全的算法就是个长期目标了。为此NIST想到的方法是，举行比赛，依靠大众的力量来设计和测试新的加密算法。

还有一些私人安全企业也在就此问题做研究，比如说KryptAll最近才发布了一个量子加密项目。其目标是要在2021年之前，推出行之有效的解决方案——用来对抗量子计算机的攻击。他们要推的这种“量子安全通讯协议”所采用的加密密钥就依赖量子机制形成——比如说一个光子从某个位置穿越到另一个位置，其方向是不确定的。这种不确定性也就成为安全的基础。如果密钥通过量子粒子来编码，要实现窃听是几乎不可行的。

当然了，这样的研究仍然需要时间。Moody说：“从历史上来看，从确定某个加密系统可用，并且真正应用到产品中成为通用标准，需要经过很长的事件，可能是10-20年。所以我们认为，现在已经很紧迫了。”