隱私和國家安全面臨的最大威脅之一是,強大的量子計算機幾乎能夠在瞬間破壞流行的加密方法。一旦量子計算機成為​​現實,在接下來的一兩年內可能發生的事情,互聯網上受加密系統保護的所有數據將被解密和不受保護,所有個人,組織或國家都可以訪問。

美國數學協會主席,研究副總裁Jill Pipher博士和布朗大學數學系的Elisha Benjamin Andrews教授上週在國會山為國會議員作了題為“不再安全:量子時代的密碼學”的簡報。量子計算對支持國家和經濟安全的現有密碼系統構成的威脅。參議員傑克·里德(D-RI)在通報會開始時說:“我們敏銳地意識到了量子技術的潛在優勢和劣勢。我們也非常擔心我們的一些對手和競爭對手在量子計算上投入了大量資金。”

參議院情報,武裝部隊和撥款委員會的里德(Reed)擔心特朗普政府在為應對量子計算的複雜威脅做好準備時丟下了球。“我們確實需要整個政府的方法。有了這個政府,它就不屬於整個政府。支離破碎。”

國會議員吉姆·蘭格文(Jim Langevin)(D-RI)稱量子計算為“引人入勝的,令人恐懼的話題”,因為所有的假設“似乎都基於當今互聯網的大部分依據。”蘭格文說,“現在嘗試強行使用密碼鎖幾乎是不可能的。使用當今最快的計算機將需要數十億年的時間。”但是,在幾十年內,功能更強大的量子計算機有可能在不到一秒鐘的時間內猜測當前的加密密鑰。“部署新算法本身就是一項政策挑戰。當然,國會需要早日考慮它。”

Pipher博士說:“強大的量子計算的未來威脅到我們數十年來一直在開發的密碼基礎設施,”這為政府和公司爭相建造量子計算機的情況下,要求更快地發展防量子密碼學提供了理由。“大約四,五年前,公司和政府迫切需要開發能夠抵禦量子計算機所帶來的提速的加密技術。”

可以在量子中生存的加密

Pipher說,現代密碼術是在1970年代開發的,它基於使用數學家Whitfield Diffie和Martin Hellman開發的方法安全地交換密碼密鑰,現在對於我們的在線交易,我們的國家安全和我們的隱私至關重要。“未來的量子計算機威脅著該基礎架構的安全性。”

Pipher提倡的一種可以在量子計算中生存的加密解決方案是她自己在1996年與數學家Jeffrey Hoffstein和Joseph Silverman一起開發的一種名為NTRUEncrypt的解決方案。NTRUEncrypt是公認的RSA(Rivest-Shamir-Adelman)或ECC(橢圓曲線加密)加密方法的替代方案。

他們開發NTRUEncrypt的目標是找到一個“難題”,例如將大質數的乘積分解為因數,而RSA加密基於此,但會更有效地做到這一點。他們開發的難題是基於所謂的晶格,即像晶格一樣的規則點陣。她說:“在一千個維度上,這實際上是一個非常棘手的問題,而且還不及支持RSA的素數產品那麼大,所以這就是效率所在。”

NTRUEncrypt現在已經在基於晶格的公共密鑰密碼規範(IEEE P1363.1)的規範下被IEEE P1363標準完全接受,但仍被認為是相對較新且未經測試的NTRUEncrypt,即使由於量子計算機的難以解決而也應能夠承受,皮爾弗說。“我們發現我們建立的加密系統無法被量子計算機破壞。”

需要更多的研究(和更多的數學家)

不管是在十年還是二十年內實現量子計算,Pipher警告說:“我們現在必須開始準備我們所有的信息安全系統,使其能夠抵抗量子計算。” “我們需要在這一領域進行更多研究。我們只需要在量子密碼學中做更多的數學研究即可。首先,實現量子計算的力量,其次,防止量子計算的危險。”

當談到可能在量子計算時代保護我們的密碼學突破時,Pipher強調,時間至關重要,因為各種系統的測試需要花費多長時間。開發證明任何密碼系統都有效的證據可能需要花費數年的時間,即使到現在,在計算系統和互聯網中廣泛使用的RSA系統本身仍沒有其有效性的證據。

她說:“我們只能依靠許多不同領域的許多人的不斷審查和努力,試圖破壞該系統。” “這就是為什麼現在就開始在新的密碼系統上工作非常重要的原因,因為它們必須經過時間的檢驗才能真正依靠它們來完全安全。”

關於公司現在應該做些什麼,以為量子計算不可避免的現實做好準備,Pipher指出了她基於晶格的密碼學,並說有些公司已經開始基於晶格的算法。覆蓋他們現有的協議,這是一個好的開始。

不過,更重要的是,“請務必確保有人了解技術可以防止密碼破解。讓他們評估那裡的產品。每個公司都應該聘請數學家。”

進行合作

關於量子計算對國家安全的影響,美國和中國在兩個國家中處於領先地位,皮弗爾說,儘管在這一領域的數學研究是由兩國真正的全球合作共同產生的。“在基礎研究上,讓所有人共同努力至關重要。”

皮菲爾說,一個組織或國家不可能秘密地實現量子計算,從而本質上首先獲得世界上所有的秘密。“要打破所有這些密碼學的量子計算機將需要兩到四千個量子比特,比我們現在擁有的要大得多。”

此外,圍繞這種突破的秘密將很難維持。她說:“我想一切皆有可能。” 但是“在竊聽和間諜等世界中,很難將這樣的發現保密。人們非常高興做出這些發現,以至於盡快宣布它們。”