未来的量子计算机可能破解现有的数据加密技术。
2016年，美国国家标准与技术研究院（NIST）号召全球密码学家开发量子安全算法，使其成为新的安全标准。
该研究院刚刚公布了获选的抗量子密码系统，这些系统是根据安全性和性能遴选出来的。
人们认为，量子安全密码学将取代现代加密技术，保护未来的敏感数据免受量子攻击。
美国国家标准与技术研究院（NIST）是一家美国政府实验室，负责发布标准，帮助政府机构安全地使用密码技术。该研究院刚刚公布了一项历时六年的竞赛获胜者；这项竞赛旨在打造量子安全算法。
这为什么重要？医疗、金融和健康记录都涉及敏感数据保护，加密和身份验证至关重要。如今，这些保护措施相当稳健，但未来的量子计算机可能改变这一局面。人们反复提到，这项新兴而强大的技术基于自然界精妙的量子特性，可能破解密码技术，给我们的数字生活造成严重破坏。不过，这种情况不太可能发生。
如何实现量子安全密码技术？
为防止这种情况发生，研究人员一直在研发一种名为量子安全密码学的技术。这些前沿构造采用了与当今广泛使用的方法不同的数学途径，例如基于格和同源的数学技术。
随着NIST刚刚公布了获选的抗量子密码系统，世界或许很快就能免受未来量子计算机带来的潜在威胁。
在IBM工作的科学家参与了许多获胜算法的研发。其中一项获胜方案是CRYSTALS-Kyber公钥加密方案，由IBM研究人员及其合作伙伴开发。其他获胜方案包括CRYSTALS-Dilithium、Falcon和SPHINCS+数字签名方案，这些方案也由IBM科学家及其合作者开发。
此外，IBM开发的第五种方案，即所谓的SIKE加密方案，已被列入进一步研究的范围，并可能在之后实现标准化。新方案被采用后，应能保护计算系统免受量子攻击。世界各地的组织应考虑尽快迁移至这些方案。
NIST是一家美国政府实验室，负责发布标准，帮助政府机构安全地使用密码技术。全球大多数公共和私营组织都依赖这些标准。标准详细说明了如何使用不同的密码算法，使用户的计算机能够与预期接收方的计算机安全通信。它们构成了当今全球安全通信的基础，无论是网上购物还是传输敏感数据。
用于新安全标准的量子安全算法
但这只适用于经典计算机。量子计算机则不同。
量子计算机利用量子力学的特性，有望在未来解决某些经典计算机无法处理的问题。量子计算机不仅可以帮助我们比现在更高效地创造新材料，更好地把握金融市场波动等诸多问题，也可能破解NIST当前部分标准化密码算法，使通过这些算法加密的敏感数据暴露。
因此，我们需要采用新标准，提前应对这一问题。
例如，IBM大约在2015年开始研究这种新型量子安全加密技术。该公司苏黎世实验室的一位顶尖密码学家Vadim Lyubashevsky刚从法国迁居瑞士，并在获得瑞士国家基金会资助后启动了这项研究。他并非独自开展工作：这笔资金使他得以聘请几位关键人员，其中包括当时在苏黎世联邦理工学院（ETH）攻读博士学位的Gregor Seiler。后来，Seiler在构建基于格的密码系统方面发挥了关键作用。
随后，2016年，NIST发起了一项国际竞赛，开发新的抗量子算法，在业界和学术界引发了广泛反响。全球多家公司加入其中，密码学领域的许多顶尖人才，从理论研究者到实践者，也在IBM任职或与IBM合作，为NIST最近公布的新方案作出贡献。
量子安全密码技术入门
如今，密码学分为两种类型：对称密码和非对称密码。
非对称密码技术常用于安全网页浏览器、聊天工具、VPN等日常通信，量子计算机可能破解这类技术。它依赖在数学上相互关联的私钥和公钥，公钥用于加密或验证。私钥则专供特定一方用于解密数据或为数据签名。
许多非对称密码算法依赖一种称为质因数分解的数学问题；密钥越长，也就是包含的比特越多，加密就越难破解。如今的计算机无法破解这些算法，但量子计算机可以——这要归功于Peter Shor于1994年提出的Shor算法。这是因为，对于拥有数百万量子比特的量子计算机而言，无论数字序列多长，分解数字都轻而易举。
如今，SSL、传输层安全协议（TLS）和HTTPS等密码协议都基于所谓的密码“原语”，也就是底层密码算法。其中包括数字签名、身份验证方案和加密方案。但如果密码原语遭到破坏，这些协议就会失去作用。
格密码学可以在这方面发挥作用。它依托于被称为“数的几何”的数学领域，数据隐藏在格这种复杂的代数结构中。虽然很容易在空间中找到一个靠近格的点，但基于格的密码学之所以难以破解，是因为反向操作十分困难。从空间中的一个点出发，在格中寻找最近的位置，所需时间会随格的维度呈指数级增长。
自20世纪70年代以来，人们一直在研究这个问题。若能找到高效算法，它将在许多重要领域有广泛应用。量子算法研究界也对它给予了高度关注。
以量子安全密码技术
保障未来
NIST已宣布，将在2024年前对获胜的密码系统进行标准化。这意味着美国政府将开始采用这些方案，并要求其供应商也使用这些方案。
未来可能不会只有一项标准。正如经典密码学的发展所示，出于科学或政治原因，人们会采用多种不同标准。随着时间推移，如果某项标准明显更优，人们通常会在新系统中倾向于采用它。
如今，量子安全密码技术仍处于非常早期的阶段。十年后，使用密码技术的人们的需求可能会有所不同。他们可能会更看重某些目前未受重视的特性，并希望采用最适合特定用途的方案。尽管如此，很难想象有什么技术会比格密码学更快；许多专家设想，未来格密码学将应用于不同领域。全球各地的组织必须了解量子计算机带来的风险，并认识到，随着NIST选定量子安全标准，相关解决方案正在逐步问世。他们应从现在开始做好准备。
