近日，在第三屆雁棲湖國際后量子密碼標準化與應用研討會暨后量子技術(shù)成果發(fā)布會上，清華大學丘成桐數(shù)學中心、北京雁棲湖應用數(shù)學研究院教授丁津泰指出，隨著量子計算的發(fā)展，作為當今網(wǎng)絡形態(tài)安全信任根基的現(xiàn)代公鑰密碼學未來可能會被徹底顛覆。為此，與會專家呼吁，加強對能夠抵御量子密碼算法的“后量子密碼”的研究部署，建立后量子密碼標準，以保證未來網(wǎng)絡空間安全。
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量子計算的發(fā)展為什么可能會徹底顛覆現(xiàn)代公鑰密碼學？后量子密碼與現(xiàn)代公鑰密碼有何不同？中國又為什么要建立自己的后量子密碼標準？帶著這些問題科技日報記者采訪了相關專家。
量子計算超強算力威脅現(xiàn)代公鑰密碼安全
“現(xiàn)代公鑰密碼學的安全性取決于公鑰算法所依賴的數(shù)學困難問題的計算復雜性。”科大國盾量子技術(shù)股份有限公司（以下簡稱國盾量子）產(chǎn)品研發(fā)中心資深技術(shù)專家趙于康博士告訴科技日報記者，現(xiàn)代公鑰密碼學誕生于20世紀70年代，其基本思想是：基于數(shù)學上難解的計算問題生成一對密鑰，一個為加密密鑰，一個為解密密鑰。由于在有限計算資源和計算時間內(nèi)，由加密密鑰推算出解密密鑰的計算量很大，在實踐上十分困難，因此保證了密碼的安全性。
趙于康表示，通常來說，最具代表性的應用于公鑰密碼設計的數(shù)學困難問題，包括質(zhì)因數(shù)分解、離散對數(shù)、橢圓曲線等。最具代表性的公鑰密碼包括RSA、ElGamal、ECC等。
公鑰密碼主要用于加解密、密鑰分發(fā)、數(shù)字簽名和認證等，它們對于保障數(shù)字安全十分重要。“例如數(shù)字簽名和認證可為辦公終端、物聯(lián)網(wǎng)終端等建立身份、行為的信任保證；加解密可為數(shù)據(jù)傳輸提供有限的加密或?qū)ΨQ密鑰分發(fā)保障?！壁w于康說。
量子計算機的快速發(fā)展有可能對現(xiàn)代公鑰密碼學形成挑戰(zhàn)?！坝捎诹孔佑嬎銠C能指數(shù)或多項式量級地加快某些復雜計算問題的求解速度，因此現(xiàn)代公鑰密碼學很有可能被量子計算技術(shù)徹底顛覆?！壁w于康告訴科技日報記者，以Shor量子算法為例，其可以在多項式時間內(nèi)解決大整數(shù)分解和離散對數(shù)求解等復雜數(shù)學問題，因此可以快速破解廣泛使用的RSA、ECC、ElGamal等公鑰密碼。
“例如，分解一個400位的大整數(shù)，經(jīng)典計算機需要約5×1022次操作，而量子計算機僅需要約6×107次操作，后者所需操作數(shù)僅為前者的八十萬億分之一?！壁w于康說。
趙于康表示，近年來量子計算機硬件快速發(fā)展，各式量子計算機相繼實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。若再結(jié)合特定的量子算法，它們就可能對現(xiàn)代公鑰密碼構(gòu)成更直接、更緊迫的威脅。
基于新的復雜問題構(gòu)建量子計算機無法破解的密碼
“量子計算雖然能指數(shù)級地加快大數(shù)分解等問題的求解速度，但是現(xiàn)在還沒有證據(jù)表明量子計算能破解所有的問題，比如格問題、非線性方程組求解問題、糾錯碼的一般譯碼問題等。”趙于康說，研究者們基于這些困難問題設計密碼算法，并認為這些密碼算法是具備抗量子攻擊能力的，于是就形成了后量子密碼（PQC）。
“后量子密碼指的是可以抵御已知量子計算攻擊的現(xiàn)代公鑰密碼，這類密碼算法的安全性同樣依賴于計算復雜度，不同的是它基于的是新的復雜問題?！壁w于康表示，這些問題的破解目前對于量子計算來說比較困難，且科學家們認為在很長一段時間內(nèi)量子計算破解這些問題都會比較困難。中國科學院量子信息重點實驗室郭國平教授則認為，雖然現(xiàn)在量子計算破解一些后量子密碼比較困難，但隨著量子計算機的快速發(fā)展，兩者之間將會形成“道高一尺魔高一丈”的局面。
后量子密碼的應用范圍與現(xiàn)代公鑰密碼類似，可用于政務、金融、通信、數(shù)據(jù)、能源等領域?！暗枰⒁獾氖牵罅孔用艽a的安全性分析仍然是個復雜問題。”趙于康解釋說，一方面，后量子密碼算法設計往往需要對它依據(jù)的原始計算困難問題進行改動。而這種改動，可能會使得算法的安全性并不等價于數(shù)學上的困難問題，其安全性分析也會隨之變得更加復雜。另一方面，現(xiàn)有的后量子密碼是針對已知的一部分類型的量子攻擊而設計的，對于新的量子攻擊，或者經(jīng)典攻擊可能并不免疫。例如，2022年7月，美國國家標準和技術(shù)研究所（NIST）宣布了首批四種后量子加密算法，包括CRYSTALS-Kyber、CRYSTALS-Dilithium、FALCON和SPHINCS+。同年12月，瑞典皇家理工學院研究人員發(fā)文稱，在CRYSTALS-Kyber特定實現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)一個安全漏洞，攻擊者利用該漏洞可以發(fā)起側(cè)信道攻擊。
“其實，中國在另一實現(xiàn)‘量子安全’的重要技術(shù)路徑——量子密碼方面更具優(yōu)勢。在最有可能實現(xiàn)量子密碼實用化的量子密鑰分發(fā)（QKD）領域，我國不論是技術(shù)還是應用都在領跑，并取得了一系列世界矚目的成果?！壁w于康表示。
建立標準是后量子密碼落地應用的前提
趙于康認為，任何一個密碼算法的設計都是為了最終落地應用，而標準是一項技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，并實現(xiàn)商業(yè)落地的重要前提。
在趙于康看來，目前美國、日本、韓國、歐洲等國家和地區(qū)均在進行后量子密碼的標準化工作，中國在這方面則起步較晚。標準的形成本身也是一種技術(shù)創(chuàng)新的過程，完善的標準可以加快科技創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化推廣應用，加速科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。
趙于康告訴科技日報記者，由于后量子密碼在密鑰長度、算法構(gòu)造等方面與現(xiàn)有密碼存在的差異較多，與應用系統(tǒng)的接口相較于量子密鑰分發(fā)也更多，因此從現(xiàn)有公鑰密碼算法遷移到后量子密碼算法的過程是一項巨大的工作?！皳?jù)專家估計，這個遷移過程大概需要10—15年。只有后量子密碼算法早日實現(xiàn)標準化，才能為盡早落地應用、對抗量子計算攻擊做好準備?！壁w于康說。
我國在以量子密鑰分發(fā)為代表的量子密碼領域已實現(xiàn)“換道超車”，而后量子密碼與量子密鑰分發(fā)的融合應用方案也是國際研究的方向之一?！袄?，后量子密碼可用于初始身份認證，這種認證只需要很短的時間，一旦完成，后續(xù)生成的量子密鑰就是長期安全的?！壁w于康補充道，此前，中國科學技術(shù)大學、云南大學、上海交通大學與國盾量子等單位聯(lián)合，在國際上率先探索了在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡中使用后量子密碼進行認證的方案，該方案提供了一種高效解決預置密鑰關鍵問題的有效途徑。
“我國的后量子密碼標準化推進工作雖起步較晚，但可以參考歐美等國已有的成熟經(jīng)驗。與此同時，應該加強產(chǎn)學研用協(xié)同，在相關部門牽頭和指導下，融合學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等多方力量， 盡早布局中國自己的后量子密碼標準?！壁w于康表示。
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