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而现有计算机无法打破在线发送敏感信息时使用

日期:2019-09-23编辑作者:新闻动态

原标题:量子计算机要来了!信息会更加安全了!

1 美国国家安全局的“8.19”声明

量子革命变身密码“终结者” 未来计算机加密技术亟待革新

作者:Marianne Freiberger

量子计算机会带来很多的好处,但是其中一个副作用是它会打破目前用于保护信息的机制。但业界正在努力,澳大利亚的QuintessenceLabs正在发挥关键作用。

2015年7月29日,美国正式对外公布“国家战略计算倡议”。正当人们纷纷猜测该战略倡议中提到的未来新型计算是什么样的时候,二十天后的8月19日,美国国家安全局网站上发布了一则消息,开宗明义指出“由于面临量子计算机的潜在威胁”,国家安全局这个负责统管美国政府和军方密码系统的最高机构决定将联邦政府所使用的“B包密码体制”替换成“抗量子密码体制”。一石激起千层浪。首先,在现实社会当中美国国家安全局一直非常低调和神秘(这也是为什么好莱坞总是喜欢拿它来吸引眼球的原因),而这次美国国家安全局居然一反常态在互联网上公开阐明其最核心的秘密—联邦政府部门所使用的密码系统可能面临的巨大威胁,这件事情本身就非常诡异。美国国家安全局用意何在?“8.19”声明背后是否有什么“阴谋”?其次,什么是“抗量子密码”?它和“量子密码”又是什么关系?此外,量子计算机都还没有研发出来,怎样说明一个密码能够抗击量子计算机的攻击?......

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翻译:Nothing

量子计算会使世界发生彻底的变革,澳大利亚也将第一个冲向量子终点线。但是量子计算机对药物等领域带来好处的同时,也会破坏当前的安全方法。

我们先来看一看美国国家安全局这个“8.19”声明的要点。国家安全局在密码领域承担了“密码破译”和“密码设计”两大任务。密码破译的工作由国家安全局下属的“信号情报部”(Signals Intelligence Directorate,SID)负责,其前身甚至可以追溯到第二次世界大战期间破译日本的“紫密”等工作,中途岛海战大败日本帝国海军,以及日本“战神”三本五十六的座机被击落均是它立下的战功。而密码设计的工作则由美国国家安全局下属的“信息保障局”(Information Assurance Division, IAD)负责。信号情报部负责“攻”,信息保障局负责“防”,一矛一盾。此次美国国家安全局的“8.19”声明是指其下属的信息保障局研发的B包密码体制将面临量子计算机的威胁,并要求使用“抗量子密码”来替换它。一句话,这次的“8.19”声明是针对美国联邦政府部门自身的密码升级方案。那么B包密码体制为何不再安全了呢?

目前广泛使用的加密技术将无法抵御量子计算机的进攻。图片来源:Carol Highsmith

审校:loulou

澳大利亚量子网络安全公司QuintessenceLabs(以下简称为QLabs)的创始人兼首席执行官Vikram Sharma在上周的ACS堪培拉大会发表演讲后接受了ZDNet的访谈,他详细描述了全球安全行业的计划,为在接下来的十年内实现量子计算机而做准备。

B包密码体制包括了多种以现代公钥密码为基础的加密算法、数字签名算法、密钥协商算法和随机数生成算法等。而现代公钥密码诞生于上个世纪七十年代中叶,其安全性依赖于数学上的皇冠—数论中的一类困难问题。美国国家安全局组织专家对公钥密码的安全性分析了整整三十年,在确认没有什么安全漏洞之后,才于2005年允许B包密码体制在联邦政府内部的信息系统当中投入使用。根据NSA的相关规定,B包密码体制可以用于联邦政府的机密信息传递,而且和更为神秘的A包密码体制一道,可以用于处理最高密级为绝密级的信息,例如美联储等机构就可以使用B包密码体制来传递敏感信息。

解码者的恐惧是必然的。强大量子计算机的问世将打破互联网的安全纪录。尽管,人们认为这些设备还需要10年甚至更久才能投入应用,但研究人员坚称,准备工作必须开始。

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“在量子计算方面取得的成就会给我们以前用于保护信息安全的机制带来风险。但是有趣的是,量子技术也能够提供一些解决方案来缓解这一风险或者迎接这一挑战。”他说道。

其实,现代公钥密码不仅仅用于美国或其他国家的政府部门。在人们日常生活或工作当中,在当今互联网的正常运行与维护当中,均离不开现代公钥密码。例如,各种软件版本的自动更新,各种网络设备补丁的下载与升级,政府部门的电子政务,企业的电子商务,个人的网上消费…均依靠现代公钥密码体制来提供虚拟社会各成员之间的相互认证,只不过这些认证工作都是在后台默默的完成,无须人们动手。因此,现代公钥密码构成了网络空间的信任链之锚。可以毫不夸张的讲,人类社会从来没有像今天这样,将如此巨大的资产托付于现代公钥密码体制。所以,一旦网络空间的这个信任锚“基础不牢”,必将“地动山摇”。

日前,计算机安全专家在德国举行会议,探讨替代目前加密系统的抗量子计算替代品。该协议能在用户浏览网页和其他数字网络时保护私人信息。当前的黑客能通过在计算机网络中推测密码、假扮授权用户或植入恶意软件等形式盗取私人信息,而现有计算机无法打破在线发送敏感信息时使用的标准加密技术格式。

网络安全依赖于一些很难解决的数学问题

第二次量子革命也一触即发,Sharma指出,1947年发明出了晶体管,在20世纪50年代早期,出现了很多使用晶体管的器械、设备和仪器。

那么人类对现代公钥密码的安全性如此信任,原因何在呢?

但当首台大型量子计算机开始联机使用后,一些广泛使用且重要的加密技术将被淘汰。量子计算机组件由单个原子和亚原子粒子制成。根据量子理论,信息处理将通过粒子之间的相互作用完成。传统的计算机采用“0”或“1”二进制数据,而量子计算机采用的则是量子比特,它可以同时代表“0”和“1”。目前的普通计算机只能逐条计算,而量子计算机可以同时进行上百万次的运算,运算速度快10万亿倍。因此,它们能轻松战胜现有加密技术。

关于量子计算机有很多耸人听闻的说法,但是量子计算机破解加密信息的超强能力是真的。现有的加密方法是基于那些用普通计算机无法快速解决的数学问题设计的,但是量子计算机可以轻易攻破这种加密方法。那么量子计算机还有哪些明显强于普通计算机的技能?

和第二次革命不同的是,第一次革命看到了自然界中发生的量子效应的被动杠杆化;第二次革命的特点是可以积极地设计自然界中不存在的量子态。

四十年前诞生的现代公钥密码体制,无论是RSA算法,ECC椭圆曲线算法,还是DH密钥协商算法,它们的安全根基都系在“一根绳上”—数论中的“大数素因子分解/离散对数”困难问题之上。由于人们相信仅凭现在的计算机(即使是比现有最强大的超级计算机还快千百万倍)都难以在数十年甚至上百年之内破译这些公钥密码算法,因此世人一直高枕无忧。

“我非常担心人们还没有准备好。”加拿大滑铁卢大学量子计算研究所联合创始人、网络安全咨询公司evolutionQ 首席执行官Michele Mosca说。

破译密码

“通过设计新的量子态或者效应,已经展现出了很多的量子所具备的能力,并且在未来的几十年内,使我们生活的很多方面都发生阶跃变化。”Sharma解释道。

然而,1994年,美国贝尔实验室的数学家Peter Shor发明了一种破解算法,从理论上证明了这种算法能够在很短的时间内完成对上面的数学困难问题的求解,从而宣布了现代公钥密码已经不再安全。只不过他的这个破解算法有一个前提,那就是必须使用“大规模的量子计算机”,而这在当时纯属天方夜谭。因为在二十多年前,造出一台能够达到破解现代公钥密码水平的量子计算机所面临的困难就如同让一名幼儿园小朋友马上完成博士论文一样不可思议。

但是,政府和产业界可能需要数年时间设置针对目前加密技术的量子安全替代品。许多被提议的替代者,即使一开始看上去固若金汤,但在它能被认为足以保护知识财富、金融数据和国家机密的在线传输安全之前,必须能抵御众多实际或理论挑战。

虽然为了回答这个问题我们进行了很多理论方面的准备,但是这个问题仍旧很棘手。RSA算法,一种广泛被用于保护信息安全的算法,它利用计算机都很难快速完成的因数分解来进行加密。如果给你一个数字10,你立刻就可以告诉我它可以被分解为2和5两个素数的乘积,但是如果我给你的数字是62615533,你应该无法通过心算告诉我它是哪些素数的乘积。

QLabs于2008年成立,是堪培拉澳大利亚国立大学物理学院的剥离部门,QLabs的产品组合都是独立于澳大利亚国立大学而开发出来的。

但是人类追求技术进步的步伐有时候也超出了自身的预料。进入本世纪之后,特别是2012年之后,设计制造量子计算机的关键技术接二连三取得突破。尽管现在人们研发量子计算机的原动力已经远远超越了破解公钥密码算法,而是更加急迫的希望能够把它用于先进材料、新药设计、基因工程等领域来提升人类社会的生活品质,甚至探索宇宙的终极秘密,如量子场论等。然而,量子计算机一旦真的制造出来,毫无疑问将对现有公钥密码体制带来毁灭性的打击,如果人们不能尽快找到替代方案,那么当今的网络空间也必将荡然无存。一句话,设计“新型抗量子公钥密码”的队伍现在必须和那些研发量子计算机的队伍赛跑。

4233永利皇宫,“要确信一个密码系统真实可靠,你需要许多人仔细检查,并试着设计攻击方法,以判断其是否存在缺陷。”美国国家标准和技术协会物理学家Stephen Jordan说,“这需要很长时间。”

这不能怪罪于你的心算能力。一旦数字足够大,计算机也无能为力。“如果给出一个4000位的数字,即使是让现存的计算机运行和宇宙年龄一样长的时间也无法将它分解成一系列素数的乘积,”剑桥大学的量子计算先驱Richard Jozsa说。

QLabs特别关注的是网络安全和通讯领域的应用,并从澳大利亚政府获得资金,以帮助它在国防级别上实现这一目标。

2 量子密码与抗量子密码的区别

在近日举行的研讨会上,译解密码者、物理学家和数学家评估和探讨了不易受到量子计算机攻击的加密工具。4月,NIST也举行了研讨会。而且,IQC将与欧洲电信标准协会合作于韩国首尔举行另一场会议。

其实还有其他很多问题和分解数字具有一样的特征:我们有很多可以解决它们的算法,但是随着要解决的问题的难度的增加,所需算法的步数也越多。另一个着名的问题是旅行商问题,这个问题是说如何让旅行商访问每个城市时所走的路程最短:要访问的城市越多,问题越复杂。

如今,信息的商业交换主要是由PKI(公钥构架)来保护的,PKI的安全性则是依赖于特定数学运算的计算复杂性。

2015年8月19日,美国国家安全局在其官方网站上宣布正式启动“抗量子密码体制”,即“8.19”声明。事隔整整一年之后,2016年8月16号,中国的量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射,而“量子通信”这一概念落入普通大众的视野,而“量子通信”其实就是密码领域常说的“量子密码”。对此,我们很有必要厘清一下量子密码与抗量子密码的区别。

另外,情报机构也应提高警惕。美国国家安全局也担心在不久的将来随着计算性能的不断提升,很容易被黑客利用以破解各种复杂加密手段。8月11日,在给供应商和客户的安全建议中,NSA透露其有意过渡到抗量子计算协议。

复杂性理论按照解决问题的步数的增长速度来对各种问题进行分类。如果步数的增长是指数型的,比如旅行商问题,问题会变得非常棘手,因为指数型增长的增长速度会越来越快。当算法步数的增长随着输入数字的增加表现成多项式形式时,我们才认为这样的问题是可解决的:如果输入的大小是n,解题所需的步数正比于n2,n3或者nk。虽然解题步数增长在我们看来还是很快,但是复杂理论专家认为这种增长还算缓慢。“步数增长表现为多项式的数学模型是可计算的,”Jozsa解释道,“如果步数增长不表现为多项式的形式,我们认为这类问题在实际操作中是无法解决的。”

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