量子计算机革命:明天已来临,因此我们今天必须做好准备

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• 量子计算对互联网安全的影响将如此巨大,我们必须立即开始规划。

• 其呈指数级提升的处理能力将使目前广泛使用的密码技术失效。

•“安全敏捷性”——加密敏捷性——是迎接量子时代的一个关键概念。

战略思维促成了人类许多最伟大的成就。但当某些飞跃过于巨大、无法一步到位,或看似过于遥远时,战略行动——即与长期愿景相一致的渐进式、持续性决策——可以成为未来成功的推动因素。

虽然对大多数人而言,一台具备实际运行能力的量子计算机似乎还遥不可及,但为其必然到来做准备所需的步骤确实已经清晰可见。我们需要在网络空间中开展更为深入的前瞻性规划,以应对量子计算的影响。如果不做出一些改变,量子计算将破坏互联网的所有完整性和保密性,引发经济和社会灾难。这正是战略行动大显身手之处。

量子计算机具有颠覆性的意义:它将采用一种不同的方法来表示和计算信息,从而实现速度的大幅提升,甚至是数量级的飞跃。这不仅仅是演进,更是革命。在本世纪,量子计算机对信息技术的革命性意义,将堪比上个世纪计算机对机械计算器的革命。从本质上讲,量子计算机将利用我们在物理课上学过的原子特性来构建。其运算速度可能快上数百万倍。

简要了解互联网安全的基础知识,或许有助于我们理解这种颠覆性的潜力。

保密性、完整性和身份认证——涵盖人员、机器、软件和数据——是所有互联网安全的基石(而实施不当时,它们反而会削弱安全性);密码学——即运用数学方程保护信息的技术——是其根本所在:

• 保密性(例如,对数据进行加密处理,使其保持私密)

• 完整性(例如,防止有人企图将“存入100美元”篡改为“存入10,000美元”)

• 身份认证(例如,核实您所沟通对象的身份)

密码学如此重要,它是如何运作的呢?一个很好的类比是高中储物柜上的密码锁。(在这个类比中,挂锁相当于密码学中的“算法”,而其密码数字则相当于密码学中的“密钥”。)密码锁具有两项安全功能:上锁——一种简单的机制,您只需将其合拢即可完成闭锁/加固,无需其他操作;开锁——一种相对复杂的机制,依赖于通过顺时针或逆时针转动提供给锁具的密码数字。这正是设计精良、实施得当的密码学的本质:一种能够轻松施加安全保护的机制,但除非知道解锁密钥,否则几乎无法被猜中。

然而,一旦具备实际运行能力的量子计算机问世,它猜测各种可能性的速度将大幅提升,并且呈指数级增长。

如果您试图通过使用当今最快的计算机(即便是多台计算机协同工作)来猜测密码密钥,从而解读经过加密的信息,这是不切实际的。密码学的数学原理能够战胜计算机科学。密码分析人员可能会尝试借助超级计算机(并结合数学洞察)来破解,但要通过暴力破解现代密码算法的密钥几乎是完全不可行的,这也正是密码学成为安全基础的原因。

几十年来,工程师们通过两种方式提升计算机的运算能力:一是加快处理器评估每一个二进制可能性所需的时间,二是增加多个处理器,并行检查不同的可能性。从理论上讲,只要有足够的速度和并行处理能力,就可以测试所有可能的密码组合(即密码密钥)。

但制造工艺的复杂性对第一种方法构成了实际限制。而第二种技术——并行处理——则因处理器成本以及为其供电和散热的费用而变得难以承受(处理器在高速运行且彼此靠近时会过热熔化或以其他方式发生故障)。

因此,设计精良、实施得当的密码学远非快速/并行处理器超级计算机逐一猜测各种可能性的能力所能企及。

但量子计算机可以一次性进行多得多的猜测。有时,其处理能力会呈指数级增长(即某一数量不断翻倍,等等),而非传统计算机所能实现的渐进式提升。重要的是,某些类型的数学问题特别适合量子计算机来处理。

大多数人认为,一台具备实际运行能力的量子计算机——即既可靠又拥有实用数量量子比特(量子计算机的数据单位)的计算机——距离我们还有五到15年,并且有少数国家正在追求这一目标。

我们需要立即做好准备。具体做法如下:

1. 将“安全敏捷性”纳入您的运营安全准则。在未来两至五年内采购网络安全产品时,请告知供应商,您需要“加密敏捷性”,即在相关技术可用时,能够无缝切换至“抗量子非对称加密算法”的能力。

2. 在抗量子加密算法可用时予以采用。理想情况下,应在量子计算机被认为可用的数年前,就采用标准的抗量子算法,原因如下:

• 不确定性:量子计算机何时可用尚不明确(其最先进的研究成果属于机密)。

• 互操作性:必须实现向这一新型密码学的无缝过渡。届时,加密敏捷性——即安全且灵活地选择和使用不同类型密码技术的能力——将使您既能与采用抗量子密码技术的各方通信,也能与尚未采用的各方通信。

3. 盘点您的数据资产,以确定哪些数据需要使用抗量子加密算法重新加密。某些数据的价值极高,其保密期限长达数十年,必须防范那些可能窃取您当前加密数据、并在未来借助量子计算机将其“破解”的敌对方。

4. 意识提升与教育。请向同事说明相关情况及其重要性,并区分三大主要议题:量子计算(速度快得多的计算机);抗量子密码学(为应对未来的计算机而需要开发和采用的算法);以及量子密钥交换(一种在私下共享信息的同时,能够检测信息是否被泄露的手段)。

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量子计算机的运算速度将带来革命性变革,其威力之大足以动摇互联网安全的根基。它们不仅仅是值得惊叹的技术奇观,更是一场需要我们提前规划以迎接其到来的革命,因为它们可能破坏互联网安全。我们应立即采用敏捷、综合的网络安全战略(包括敏捷密码学),以确保我们为量子计算机将开启的时代做好准备。

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