量子计算vs数据加密:一场永不止息的“军备竞赛”

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-07-25   阅读:


量子计算机可以快速解决那些即便是超级计算机也不得不花费大量时间运算的复杂问题,尽管这些问题中的大多数离我们的真实生活十分遥远,而且量子计算机本身数量也非常有限,但是它的发展不会停滞不前,总有一天这项技术将主导世界。那么,量子计算机会给人们和数据带来什么样的影响?

数据加密是互联网安全的重中之重

数据加密是保护计算机本地和在线数据的核心机制。加密是指使用特定的规则和被称为“密钥”的字符集将信息转换为一堆看上去毫无意义的乱码,只有将乱码解密后才能知道发送者真正想表达的内容,解密过程也需要相应的密钥。

我们用替换加密举一个最简单的例子,这种加密算法将每个字母替换为一个数字(比如用1替换A,用2替换B,以此类推)。在这个例子中,词语“baobab”就被转换成了“2 1 15 2 1 2”,而密钥则是字母表,其中每个字母都对应一个数字。实际上,业界使用的密码算法比这复杂的多,但是原理大致如此。

如果像在上述例子中一样所有人都使用一个相同的密钥,我们就说这种加密是对称的。在通信发生之前,所有人必须先获得可以加密解密消息的密钥。更重要的是,密钥本身还只能以明文形式传输(因为接收方暂时还没有可以解密的密钥),如果该传输是通过互联网进行,不法分子可能会将其拦截从而看到本该保密的消息,这显然不是我们想要的结果。

为了解决这个问题,一些加密算法使用两个密钥:一个用来解密的私钥和一个用来加密的公钥。这两个密钥都由消息接收方创建,其中私钥永远不会被发送给任何人,因此不会被截获。

任何人都可以使用公钥来加密信息,而之后接收者解密数据则需要对应的私钥。因此,我们不必担心公钥以明文方式传输,甚至可以将其公开,让互联网上所有人看见。这种加密被称为非对称加密。

在现代加密系统中,密钥通常都是一些非常大的数字,加密算法本身也是基于操作这些数字的复杂数学问题。这些操作十分复杂以至于过程几乎是不可逆的,因此得到公钥对破解密码没有什么帮助。

量子破解

事情没有这么简单,严格来说,加密算法背后的设计理念是使得破解密码不可能在合理的时间范围内发生。这就到了量子计算机大展拳脚的时候了,它们处理数字的速度远远超过传统计算机。

于是传统计算机破解密码所需要的不合理的时间对量子计算机来说是完全合理的。一旦加密算法存在被量子破解的安全隐患,那么使用这种加密的意义也就不复存在了。

应对量子破解的保护方式

也许有一天部分不法分子足够富裕到可以用量子计算机武装自己,但是你大可不必因为担心数据被解密并窃取而感到脊背发凉,信息安全专家们已经开始着手处理这些问题了。目前有以下几个基本保护机制可以抵御相关攻击。

1. 传统的加密算法是可以抵御量子攻击的。这也许令人难以置信,但是我们确实已经在使用可以对抗量子计算机的加密方法了。比如,在即时通讯应用程序中广泛使用的AES算法就很难破解,虽然量子计算机可以加快破解流程,但是效果并不明显。量子计算机对其他许多对称加密(即只有一个密钥)也无法构成严重威胁,尽管之前提到的密钥分发问题依然存在于这些对称加密中。

2. 设计专门抵御量子攻击的算法。数学家们正在研究强如量子技术也无法破解的新加密算法,在不法分子以量子计算机武装自己之前,数据防护工具很可能已经能够抵御相关攻击。

3. 一次使用多种加密方法。目前可用的一种有效解决方法是将数据用不同算法进行多次加密,攻击者即便有能力破解一种加密,也不太可能突破剩下的防线。

4. 使用量子技术来对抗量子破解。量子密钥分发系统可以让对称加密的使用变得更加安全。这种系统虽然不能保证抵御黑客攻击,但是它可以让你知道信息是否被拦截,因此一旦当前密钥在传输过程中被窃取,它可以将其销毁并发送新的密钥。这种技术的确需要特殊设备的支持,不过某些政府组织和私营企业已经配备这种设备并开始操作使用了。

还不至于是信息安全的世界末日

尽管量子计算机似乎能够破解一些让传统计算机无能为力的加密信息,但是它们并非完美无缺,况且安全技术在这场军备竞赛中正逐渐处于领先地位,它不会让步于攻击者。

加密作为一种概念不太可能会轰然倒塌,只是某些算法会被逐渐取代,这并非坏事。事实上这种替代一直在发生,正如我们所说,技术发展不会停滞不前。

因此我们应该时常检查网络服务使用的是何种加密算法,以及该算法是否已经过时,或是否存在被破解的安全隐患。至于那些需要被长期存储的特别有价值的数据,明智的做法是开始使用那些即便在量子计算机时代也能发挥作用的加密算法。

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