數十億臺設備面臨量子計算的風險
關鍵詞： 量子計算機
一旦強大的量子計算機到來，目前數十億計算設備使用的加密算法將面臨風險。
量子計算正在取得重大進展。去年，諾貝爾物理學獎授予了法國科學家Alain Aspect、美國科學家John F. Clauser和奧地利科學家Anton Zeilinger，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學”方面所做出的貢獻。這凸顯了量子計算領域的重大進展，以及在不久的將來取得突破的潛力。
與此同時，量子計算對保護連接設備的安全措施構成了風險。世界經濟論壇估計，在未來10-20年內，將有超過200億臺數字設備需要升級或更換，以使用新型量子安全加密通信。這些產品將需要更大的功率和內存容量。
量子飛躍
量子計算技術的可用性正在增加。2022年9月，谷歌宣布了其首個商業量子計算服務Google Quantum Cloud，該服務允許客戶通過云訪問其量子處理器。同樣在去年，英國的Oxford Quantum Circuits(OQC)與云服務公司Cyxtera合作，在一個通用設施中安裝了第一臺量子計算機。Cyxtera在30多個市場擁有60多個數據中心。在數據中心內啟用量子算法可以保護數據隱私和安全性，因為原始數據不會離開數據中心。
OQC還構建并管理了LUCY，這是一款歐洲商用80量子比特量子計算機，可通過公共云和私有云訪問。一種嘗試方法是登錄AWS Amazon Braket并在LUCY中運行量子算法。
這是實現量子計算“民主化”的重要一步，以前只有少數組織有資源來構建和維護自己的量子計算機。
歐盟的“量子宣言”指出：“正如當下世界各地正在發生的改變一樣，發展歐洲在量子技術方面的能力將創造一個新的以知識為基礎的工業生態系統，從而帶來長期的經濟、科學和社會效益。”
量子算法對互聯世界構成威脅
一個重大威脅是，強大的量子計算機有可能破解目前全球數十億臺計算機、網絡和設備使用的加密系統。專家預測，要讓量子計算機大到足以破解當前的加密方法，可能需要長達50年的時間。
然后，Peter Shor的量子計算算法可以在幾小時甚至幾分鐘內破解因數分解問題，從而使公鑰加密算法變得毫無用處。有專家預計，擁有大量量子比特的量子計算機至少還需要10年才能運行這種算法，甚至可以打破我們今天使用的公鑰加密。
滑鐵盧大學(University of Waterloo)的專家Michele Mosca博士寫道：“我估計，到2026年，我們今天所依賴的一些基本公鑰加密工具有七分之一的幾率或被破解。到2031年，這一幾率將上升至50%。”“雖然量子攻擊尚未發生，但為了能夠在未來應對這些威脅，今天需要做出關鍵決策。”
電信行業正在采取措施為量子計算的到來做準備。GSMA與IBM和沃達豐在近期共同成立了后量子電信網絡工作組，以幫助定義政策、法規和運營商業務流程，以便在先進量子計算的未來加強對電信的保護。為了做好準備，業界正在開發新的基于格的密碼算法（lattice-based cryptography）。
去年，美國國家標準與技術研究院(NIST)選擇了一種由恩智浦、IBM和Arm安全專家共同編寫的安全算法，旨在給可能要應對量子威脅的行業一些參考，并成為全球標準的一部分。
恩智浦半導體密碼學和安全能力中心的高級首席密碼學家、開發上述算法的主要專家之一Joppe Bos表示，“恩智浦開始準備的主要動機并不是量子計算機迫在眉睫的威脅。這是這些后量子加密標準的時間表。一旦標準發布，我們的客戶將期望恩智浦作為加密和安全領域的領導者之一，持續支持這些標準，因為我們現在處于許多終端產品鏈的起點。”
如上所述，一旦強大的量子計算機到來，目前數十億計算設備使用的加密算法將面臨風險。
即將推出的量子計算機有可能輕松破解加密系統，比如基于Rivest-Shamir-Adleman(RSA) 或橢圓曲線密碼術(ECC)的系統，這引發了創建一套新的加密標準，以保護現有加密標準的競賽，以及未來的系統、應用程序和設備來抵御量子邏輯攻擊。
正在研究創建新的加密系統，量子計算機將發現它更難破解。其中一項有前途的技術是使用基于格的數學結構或基于格的密碼學的算法。
“簡單地說，它正在把一切都變成一個基于格的問題，”Bos說,“晶格就像一個二維網格，就像你在學校學到的，X軸和Y軸帶有點。那是一個二維格子。這就是為什么這被稱為基于格的加密。它與在高維空間中尋找最短向量有關。”
為PQC準備設備帶來了供應鏈挑戰
雖然在標準計算機和移動設備上運行后量子計算算法不會帶來挑戰，但這些算法會消耗更多的電力，并需要更多的內存。對于小型連接設備(如傳感器、智能電表和其他內存容量有限的嵌入式系統)來說，這是一個嚴重的問題。根據應用的不同，可能需要更換或升級數十億臺設備。
“通常情況下，如果你看看過去幾年的方案和實驗，他們實現得非常快，但他們從來沒有真正關心過內存問題，”Bos說，“現在，我必須告訴正在構建產品的NXP人員，我們現在要使用4.5千字節，而不是3,000位，或者說4500字節，而不是bits。這確實大了一個數量級，并且在實踐中有各種各樣的含義。”
雖然這看起來不是很多內存，但數十億的連接產品和設備，都需要可用的內存來運行新的加密。不幸的是，其中一些是安裝在關鍵系統中的微控制器，如智能電表、防御系統和數十億傳感器。
目前，大多數使用EMV芯片的信用卡和借記卡都使用ECC加密，同樣的加密技術正在保護我們智能手機、平板電腦和筆記本電腦中的SIM和eSIM芯片。
此外，包括旅行證件（電子護照）和身份證在內的政府ID應用程序都配備了當前的數字加密系統。如今簽發的現有護照和新護照的有效期通常為5到10年，而要達成新的全球標準需要更長的時間。如果加密系統遭到破壞，則必須更換所有護照和身份證。
OEM應實施PQC就緒的安全模塊
英飛凌科技公司表示:“例如，在能源基礎設施、空間等領域，產品的使用壽命通常為15至30年。因此，當量子計算機成為現實時，這些應用和相應的設備/基礎設施將投入使用。” “因此，系統設計者必須考慮從傳統的非對稱加密遷移到PQC。這并不意味著現在必須強制實施PQC算法，而是必須制定前瞻性策略。”
不可能迅速更換且可能被量子計算破壞的設備將達200多億臺，但可以設計新的單元來運行PQC算法。
對于個人電腦和智能手機等功能強大的計算設備來說，情況就不同了。這些設備在幾年內就會被更換，新的設備將根據需要進行更新。
不同行業使用的嵌入式系統和其他設備的制造商面臨更高的風險。如上所述，許多設備的產品壽命為15至30年，現場更換或升級設備具有挑戰性且成本高昂。因此，OEM考慮準備好實施PQC的組件（例如微控制器和安全模塊）至關重要。并且設備需要為非接觸式更新做好準備。
軟件更新可以對其中一些進行重新編程，但許多必須手動升級或更換，從而導致一個長達數十年的過渡過程，該過程會考慮安全性、算法性能、安全實施的難易程度、合規性等。
