現(xiàn)在有了一件可以說是杞人憂天的事：盡管現(xiàn)在還沒有真正的量子計(jì)算機(jī)問世，但微軟的一個(gè)研究項(xiàng)目已經(jīng)將加密協(xié)議升級(jí)到可以抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊。政府和 IBM、微軟、谷歌等計(jì)算巨頭正在研究量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗梢杂煤苌贂r(shí)間解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要花數(shù)十億年解決的問題。這可能會(huì)給醫(yī)藥或能源領(lǐng)域帶來突破性進(jìn)展，但量子計(jì)算機(jī)也可以輕易破解用于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息安全的加密算法。

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準(zhǔn)備上十年

情報(bào)組織認(rèn)為這是好事，美國(guó)國(guó)家安全局投入了 8000 萬美元用于研究量子計(jì)算。但一些研究人員認(rèn)為，我們應(yīng)該開始計(jì)劃升級(jí)加密，以便讓量子計(jì)算時(shí)代的生活繼續(xù)保持平靜。一個(gè)由微軟、芯片制造商 NXP 和昆士蘭科技大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一升級(jí)。他們正在測(cè)試一個(gè)可以抵御量子計(jì)算機(jī)的傳輸層安全協(xié)議(TLS)，網(wǎng)絡(luò)銀行等網(wǎng)站利用 TLS 來加密網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

Krysta Svore 在微軟領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)專為量子計(jì)算機(jī)開發(fā)軟件的研究小組，她表示，這不僅僅是一次學(xué)術(shù)練習(xí)。“考慮到可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)正在開發(fā)中，現(xiàn)在準(zhǔn)備非常重要”。一種新的加密算法需要上十年或以上時(shí)間才能得到適當(dāng)測(cè)試和廣泛部署。“現(xiàn)在迫切需要決定其他加密算法。”

當(dāng)銀行或電子郵箱提供商使用 TLS 協(xié)議來保證數(shù)據(jù)安全時(shí)，它們通常會(huì)采用 RSA 算法。這一算法通過將大素?cái)?shù)相乘來獲得一對(duì)數(shù)字安全密鑰，其中一個(gè)為公鑰，另一個(gè)為私鑰。如果你能算出用來制作公鑰的素?cái)?shù)，就可以重新制作出解密數(shù)據(jù)的私鑰。但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能快速計(jì)算出用來制作密鑰的素?cái)?shù)。

在 1994 年，數(shù)學(xué)家 Peter Shor 證明了量子計(jì)算機(jī)可以輕易算出制作密鑰的素?cái)?shù)。通過在這一問題的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)上使用量子態(tài)，量子計(jì)算機(jī)能很快地找到通往正確答案的捷徑。Shor 的算法在修改后也可以用來破解橢圓曲線加密法這一比 RSA 加密算法更強(qiáng)大的算法。橢圓曲線加密法正變得越來越普遍，且也被用于 TLS 中加密網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

未雨綢繆

用來抵御量子計(jì)算機(jī)的新版 TLS 協(xié)議使用了另一個(gè)數(shù)學(xué)問題來生成密鑰。研究人員們認(rèn)為，這一問題超出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算的實(shí)際運(yùn)算范圍。

這一系統(tǒng)通過在兩臺(tái)個(gè)人電腦間傳輸加密數(shù)據(jù)來進(jìn)行測(cè)試，傳輸速度要比采用橢圓曲線加密法的 TLS 協(xié)議慢 21%。但研究人員們認(rèn)為，如果要在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用這一協(xié)議，這一代價(jià)也很合理。

康奈爾科技大學(xué)教授 Ari Juels 表示，現(xiàn)在就準(zhǔn)備針對(duì)量子計(jì)算機(jī)的算法很合理。他表示道，哪怕現(xiàn)在的加密算法攻擊進(jìn)展相對(duì)較慢，網(wǎng)站或軟件中使用的過時(shí)加密算法也已經(jīng)導(dǎo)致了很多安全問題。

Juels 還表示，目前還不確定這一新 TLS 協(xié)議是否同時(shí)抵御量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的破解。數(shù)學(xué)家和密碼學(xué)家們對(duì)這一協(xié)議的研究還不像 RSA 等算法深。

Svore 表示同意，但稱到目前為止，一切跡象都表明情況良好。人們花了 15 年時(shí)間來尋找新 TLS 協(xié)議中使用的數(shù)學(xué)問題的量子捷徑，卻沒有人成功。不管怎樣，微軟的研究人員們正在研究其他可能的可以抵御量子計(jì)算機(jī)的加密算法。

Svore還想教育更多計(jì)算機(jī)科學(xué)家和程序員如何為量子計(jì)算機(jī)寫程序，以便他們?cè)诹孔佑?jì)算機(jī)到來時(shí)能更好地利用或抵御量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)榱孔佑?jì)算真的會(huì)很強(qiáng)大。