详解后量子密码学及其重要性

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本文将和您讨论一种全新的量子密码学,它比当前的普通密码学要更加先进,也势必会对在线安全领域带来永久性的改变。

很多局外人会把密码学看得过于神秘。当我们一谈论密码学时,他们就会错误地将其与秘密组织、或深层次布局相关联。其实,从本质上讲,密码学只是一种保护和加密信息的手段。例如,如果您仔细观察浏览器中某网站URL的左侧(在地址栏中居左的位置),就会看到一个带有挂锁符号的图标。这个图标表示该站点正在使用HTTPS协议,对出入该网站的信息进行加密操作,以保护用户的个人详细信息、以及信用卡信息等敏感数据。

下面,我将和您讨论一种全新的量子密码学,它比当前的普通密码学要更加先进,也势必会对在线安全领域带来永久性的改变。

什么是后量子密码学(Post-Quantum Cryptography)?

为了更好地理解后量子密码学,让我们首先来了解什么是量子计算机(Quantum Computer)。量子计算机使用量子物理学来存储信息,并能够以惊人的速度,去执行各种复杂的计算。

目前,传统计算机都是以二进制形式(即一堆0和1)来存储信息的。而在量子计算中,信息被存储在“量子比特(qubits)”中。它们使用到了诸如:电子(electron)运动或照片定向方式等量子物理学的特性。通过不同的安排方式,量子计算机能够快速地存储和访问各类信息。

从理论上说,由量子比特排列所实现的存储数字,要远多于我们所处的宇宙中的原子。因此,如果您使用量子计算机针对二进制计算机进行密码的破解,那么它将不费吹灰之力,就能够在短时间内完成破解。目前,量子机器主要依赖Shor算法(用于整数分解的量子算法),已经破解了许多非对称加密技术。可以说,这是量子计算机对比二进制计算机的强大优势所在。

当然,热或电磁场都会影响计算机的量子特性。因此,它们的使用通常受到一定的限制。我们必须对其予以非常谨慎地管理。您可以通过​​《量子计算正在改变世界》​​一文,了解更多相关知识。

总地说来,量子计算机确实对传统的加密已经构成了巨大的威胁。那么我们是否就任由它持续进行降维打击了呢?常言道:“道高一尺,魔高一丈”。其实,我们可以采用后量子密码学(Post-Quantum Cryptography)来采取适当的防御措施。这是一种新近开发的密码与加密技术,可以防止来自量子计算机的密码分析攻击。

而且,由于它允许二进制计算机保护其数据,使其免受量子计算机的攻击,因此随着我们朝着更安全、更强大的数字未来迈进,后量子密码学会变得越来越重要。

后量子密码学的背景

早在2016年,Innsbruck大学和麻省理工学院(MIT)的研究人员就已经认定,量子计算机比​​超级计算机​​更加强大,它们可以轻松地破解由传统计算机开发的任何密码。

同年,美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)开始接受其作为取代公共加密算法的新型加密方式的提交。据此,各种新的防御措施被相继研发了出来。其中,一种简单的方法是将数字密钥的大小加倍,以便所需的排列数量也会显著增加,以应对暴力攻击(brute force attack)的情况。

与此相比,我们只需将密钥大小从128位增加到256位,便可以让采用Grover算法的量子计算机在排列数量上实现平方。这是另一种用于搜索非结构化数据库的最常用算法。

为了选择一种技术进行推广和标准化,NIST目前正在测试和分析各种技术。他们已将范围从最初收到的69份提案,缩小到了15份。

基于AES-256加密方式的后量子算法安全吗?

下面,让我们来重点关注“抗量子(quantum-resistant)”算法的开发。例如,如今被广泛使用的AES-256加密方式,通常被认为属于抗量子类型,毕竟其对称加密方式仍然被公认为是非常安全的。然而,量子计算机使用Grover算法去破解一个AES-128密码,能够将攻击时间缩短至2^64。而这对于当前的算力而言,已经足以认为不够安全了。

而在AES-256加密的情况下,其攻击时间将变为2^128,这相对来说还算是足够安全的。对此,NIST指出,后量子算法通常可以属于如下三类中的一种:

  • 基于格的密码(Lattice-based ciphers)——例如Kyber或Dilithium。
  • 基于代码的密码(Code-based ciphers)——例如使用Goppa代码的McEliece公钥密码系统。
  • 基于散列的函数(Hash-based functions)——例如Lamport Diffie一次性签名系统。

此外,许多区块链开发人员目前正在创建,能够抵抗各种量子密码分析攻击的加密货币。

RSA类型的后量子安全吗?

作为一种非对称算法,RSA也曾被认为是非常安全的。例如,《科学美国人》在1977年发表的一篇研究论文中,曾号称破解RSA-129加密需要40万亿年。不过,1994年,贝尔实验室的数学家--Peter Shor创建了一种旨在破解RSA加密的算法。几年后,一组密码学家在此基础上,在六个月时间内破解了RSA。

虽然RSA-2048目前尚未被破解,但是大家都知道,这只是一个时间的问题。因此,业界广泛推荐的RSA的加密强度为RSA-3072。它提供了112位的安全性。可以说,当前互联网上有超过90%的加密连接(包括SSL握手),都依赖于RSA-2048。同时,RSA也被用于验证数字签名,推送固件更新、以及验证电子邮件等日常工作与任务中。

可见,问题在于:密钥长度大小的增加,并没有成比例地提高其自身的安全性。虽然RSA-2048比其前身增强了40亿倍,但是RSA-3072仅增强了65k倍左右。实际上,对我们而言,RSA-4096已经达到加密的极限了。而且,一些密码分析师甚至发布了一系列被证明有效的攻击RSA的方法。具体请参考​​这里​​。当然,他们尚未实现量子霸权(Quantum Supremacy),即:量子计算机将能够执行那些普通计算机无法执行的功能。对此, Google和IBM等大厂已经在为此布局谋篇了。

为什么我们需要后量子密码学?

有时候,创新的最佳方式便是提出一个更强大的问题。而后量子密码学背后的概念就是,改变现有计算机解决数学问题的方式。我们有必要开发更加安全的通信协议和系统,来充分利用量子计算的算力,并做好相应的防御工作。值得一提的是,许多VPN提供商目前已开始致力于开发具有量子安全特性的VPN。 

译者介绍

陈峻 (Julian Chen),51CTO社区编辑,具有十多年的IT项目实施经验,善于对内外部资源与风险实施管控,专注传播网络与信息安全知识与经验;持续以博文、专题和译文等形式,分享前沿技术与新知;经常以线上、线下等方式,开展信息安全类培训与授课。

原文标题:What Is Post-Quantum Cryptography & Why Is It Important? ,作者:KARIM AHMAD

责任编辑:华轩 来源: 51CTO
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