Quantum Computing diagram background

量子計算(Quantum computing)是計算領域的革命性進步,有可能比傳統電腦更快解決某些類型的複雜問題。量子計算將產生深遠影響的最重要領域之一是密碼學(Cryptography)。這篇部落格深入探討了量子計算如何威脅當前的密碼技術,並向讀者介紹了新興的量子安全密碼學領域(Quantum-safe cryptography)。

了解密碼學

密碼學是一種透過程式碼保護通訊安全的方法,確保只有預期的收件者才能讀取訊息。現代密碼學依賴數學問題,這些問題很容易在一個方向上解決,但在沒有特定密鑰的情況下極難逆轉。加密演算法的兩種主要類型是:

  1. 對稱金鑰加密(Symmetric-key cryptography):加密和解密使用相同的金鑰。
  2. 非對稱金鑰加密(Asymmetric-key cryptography):使用一對金鑰:公鑰和私鑰(Public and Private)。公鑰加密數據,而私鑰解密資料。

量子威脅

量子電腦利用量子力學原理,使用量子位元以經典位元無法實現的方式表示和處理資訊。這種能力使量子電腦能夠以指數速度更快地執行某些計算。兩種量子演算法對目前的密碼系統構成了特殊的威脅:

  1. Shor 演算法(Shor’s Algorithm)有效分解大數,破壞廣泛使用的非對稱加密系統(如 RSA 和 ECC(橢圓曲線加密))的安全性。
  2. Grover 演算法Grover’s Algorithm為非結構化搜尋問題提供二次加速,透過有效地將金鑰長度減半(例如,128 位元金鑰僅提供 64 位元安全性)來影響對稱金鑰加密。

對密碼學的影響

量子電腦的出現意味著目前使用的許多密碼系統將變得脆弱。例如:

  • RSA 和 ECC:這些很容易被 Shor 演算法破解,導致安全通訊、數位簽章和金鑰交換不安全。
  • 對稱金鑰演算法Symmetric-key algorithms雖然受影響較小,但 AES 等演算法將需要更長的金鑰來維護 Grover 演算法的安全性。

邁向量子安全密碼學

為了減輕量子電腦帶來的風險,研究人員正在開發量子安全(或後量子)加密演算法。這些演算法旨在抵禦經典攻擊和量子攻擊。一些有前景的方法包括:

  1. 基於晶格的密碼學Lattice-based cryptography依賴晶格問題的硬度,被認為可以抵抗量子攻擊。
  2. 基於程式碼的加密技術Code-based cryptography利用糾錯碼來保護數據,提供針對量子威脅的穩健性。
  3. 多元多項式密碼學Multivariate polynomial cryptography基於求解多元多項式方程組的難度。
  4. 基於雜湊的密碼學Hash-based cryptography使用雜湊函數建立數位簽名,確保針對量子對手的安全性。

前路

向量子安全密碼學的過渡是一項複雜而迫切的任務。它不僅涉及新演算法的開發和標準化,還涉及跨各種平台和協議的實施。美國國家標準與技術研究院 (NIST) 正在積極致力於後量子密碼演算法的標準化,預計將在不久的將來做出最終選擇。

請繼續關注我們的下一篇部落格,我們將在其中詳細探討量子安全解決方案的當前狀態。我們將討論正在考慮的特定演算法、它們的潛在應用,以及為量子安全的未來做好準備可以採取的步驟。

參考資料

  1. 書籍:
  • Yanofsky, N.S., & Mannucci, M.A. (2008). Quantum Computing for Computer Scientists. Cambridge University Press. 
  • Bernstein, D.J., Buchmann, J., & Dahmen, E. (Eds.). (2009). Post-Quantum Cryptography. Springer. 
  1. 網頁及文章 :
  • National Institute of Standards and Technology (NIST). (n.d.). Post-Quantum Cryptography. Retrieved from NIST PQC (https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography) 
  • Schneier, B. (2018). The Future of Cryptography: Post-Quantum Edition. Retrieved from Schneier on Security 
  • RSA Conference. (2020). Quantum Computing and Cryptography. Retrieved from RSA Conference 
  1. 研究論文:
  • Shor, P.W. (1994). “Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring.” Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science
  • Grover, L.K. (1996). “A Fast Quantum Mechanical Algorithm for Database Search.” Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing
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