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量子權(quán)力:顛覆傳統(tǒng)加密

上周,谷歌發(fā)布報(bào)道稱取得量子計(jì)算重大進(jìn)展,隨后又很快撤回了這篇報(bào)道。但無(wú)論該報(bào)道是否過(guò)早,傳統(tǒng)加密確實(shí)時(shí)日無(wú)多了。

可喜可賀!生活在這個(gè)時(shí)代,能夠見(jiàn)證計(jì)算歷史上最為重大的進(jìn)展——量子權(quán)力(Quantum Supremacy)的出現(xiàn),不能不說(shuō)是一種幸運(yùn)。沒(méi)錯(cuò),量子權(quán)力的出現(xiàn)至少跟互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)建同等重要,而其意義也是振奮與威脅并存,尤其是與安全相關(guān)的時(shí)候。

量子權(quán)力是什么?

幾天前,《財(cái)富》報(bào)道稱,在可用量子計(jì)算機(jī)制造競(jìng)賽中一馬當(dāng)先的谷歌,在美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA) 網(wǎng)站上短時(shí)發(fā)布了一篇研究論文,宣稱已獲得量子權(quán)力。該里程碑就是量子計(jì)算機(jī)終于能傳統(tǒng)二進(jìn)制經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能——要么是前所未有的計(jì)算速度,要么是解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)根本無(wú)法解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題。谷歌的報(bào)告似乎顯示二者兼而有之:谷歌的量子計(jì)算機(jī)能夠在三分鐘內(nèi)完成全球最快的電子計(jì)算機(jī)要花 1 萬(wàn)年才能做完的事。

但谷歌在幾小時(shí)內(nèi)就撤回了該報(bào)告。沒(méi)錯(cuò),這可能意味著谷歌尚未達(dá)到量子權(quán)力。但如果谷歌真的沒(méi)做到,又怎么會(huì)曝出這么詳細(xì)的研究論文,然后又對(duì)此事緘口不語(yǔ)呢?谷歌、IBM 和中國(guó)研究人員都公開(kāi)宣稱最早今年就會(huì)出現(xiàn)量子權(quán)力。或許,谷歌發(fā)布又撤回的行為是一次意外,提早泄露了某些之前討論過(guò)的公關(guān) (PR) 策略。

自 1959 年 物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼 (Richard Feynman) 提出使用量子力學(xué)特性塑造新型計(jì)算范式以來(lái),全世界都在等待量子權(quán)力出現(xiàn)的那天。現(xiàn)在,這一天似乎到來(lái)了。至少,量子計(jì)算的威力讓我們仰賴的傳統(tǒng)加密即將無(wú)法再繼續(xù)保護(hù)我們。

密碼告破

量子計(jì)算在很多問(wèn)題上的原始計(jì)算性能并沒(méi)有那么突出。甚至在很多用例中量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)還慢。但在兩類計(jì)算問(wèn)題上,量子計(jì)算確實(shí)尤為擅長(zhǎng)。

一類是非結(jié)構(gòu)化搜索。量子計(jì)算領(lǐng)域中的 Grover 算法可使非結(jié)構(gòu)化搜索的線性算法復(fù)雜度直接開(kāi)平方,實(shí)現(xiàn)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算的指數(shù)級(jí)加速。最重要的是,該算法腰斬了對(duì)稱密鑰和散列的防護(hù)強(qiáng)度,減弱了AES-256、AES-128、SHA2-256、SHA2-128 等加密算法的安全性。想要抵抗量子計(jì)算攻擊,對(duì)稱密碼和散列的密鑰長(zhǎng)度得翻倍。

量子計(jì)算機(jī)具有巨大優(yōu)勢(shì)的另一類問(wèn)題,是求解在數(shù)學(xué)公式中運(yùn)用大質(zhì)數(shù)的方程——現(xiàn)代公鑰非對(duì)稱算法的基礎(chǔ)。1994 年,量子物理學(xué)家 Peter Shor 證明此類問(wèn)題用量子計(jì)算機(jī)可以在幾秒到幾分鐘時(shí)間內(nèi)解決。我們只要有足夠的量子位,當(dāng)今非對(duì)稱密碼和數(shù)字簽名方案就將坍塌。

第一臺(tái)能用的量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)于 1998 年,僅有 2 個(gè)量子位。但即便就用這 2 個(gè)量子位,該量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)也證明了 Shor 的算法只要有夠用的穩(wěn)定量子位就可以解出任意大小的質(zhì)數(shù)方程。自那以后,所有量子計(jì)算機(jī)制造者(超過(guò) 100 個(gè)不同團(tuán)隊(duì)在研制量子計(jì)算機(jī))都在嘗試給自己的計(jì)算機(jī)增加量子位和穩(wěn)定性(糾錯(cuò)能力)。

我們真的擁有量子權(quán)力了嗎?

多年來(lái),量子位規(guī)模(或穩(wěn)定性)但凡有所增長(zhǎng),量子研究人員都會(huì)公開(kāi)宣布。但從去年開(kāi)始,他們停止更新這種漸進(jìn)式增長(zhǎng)的消息,轉(zhuǎn)而宣布已接近量子權(quán)力。

假設(shè)谷歌確實(shí)取得了其他公司尚未達(dá)成的成就——大幅提升了量子位的穩(wěn)定性。那就意味著其他公司就算現(xiàn)在還沒(méi)實(shí)現(xiàn),也終會(huì)找到取得同樣成果的方法。

不在構(gòu)建更強(qiáng)大量子計(jì)算機(jī)的路上取得重大突破,不破掉當(dāng)今世界依賴的大多數(shù)加密算法,就稱不上達(dá)成量子權(quán)力。

也就是說(shuō),HTTPS、TLS、WiFi、數(shù)字證書(shū)、智能卡、FIDO 身份驗(yàn)證令牌、加密貨幣等等要么即將被破解,要么已經(jīng)被破解。可以想見(jiàn),世界各國(guó)政府一直在嗅探和存儲(chǔ)對(duì)手當(dāng)前“受保護(hù)的”網(wǎng)絡(luò)流量,就等著自己能夠讀懂對(duì)方秘密的那一天到來(lái)。谷歌的量子權(quán)力聲明有可能是虛晃一槍或過(guò)早發(fā)布,但都無(wú)所謂。因?yàn)闊o(wú)論哪種情況,公司企業(yè)都需開(kāi)始慎重思考自己的后量子時(shí)代遷移計(jì)劃。

《財(cái)富》報(bào)道:

https://fortune.com/2019/09/20/google-claims-quantum-supremacy

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