量子計算機能在8小時內(nèi)破解2048位RSA加密

一項新的研究表明，量子技術(shù)將比預(yù)期更快地趕上當(dāng)今的加密標(biāo)準(zhǔn)。所有需要長期（25 年左右）安全存儲數(shù)據(jù)的人都應(yīng)該警覺。

許多人擔(dān)心量子計算機將能夠破解某些用于發(fā)送安全信息的加密代碼。所謂的加密代碼使用“陷門（trapdoor）”函數(shù)加密數(shù)據(jù)，這種函數(shù)在一個方向上十分容易執(zhí)行，但在相反方向上則不然。這就使得加密數(shù)據(jù)變得容易，但如果沒有特殊密鑰的幫助，解碼數(shù)據(jù)就非常困難。

這些加密系統(tǒng)一直都不是牢不可破的。相反，它們的安全性是通過經(jīng)典計算機完成解碼所需的大量時間體現(xiàn)的。現(xiàn)代的加密方法是專門設(shè)計的，解碼它們需要很長時間，因此說它們幾乎不可破解。

但是量子計算機改變了這種想法。量子計算機比傳統(tǒng)的計算機功能強大得多，應(yīng)該能夠輕松破解這些代碼。

這就提出了一個重要的問題——量子計算機何時才能強大到可以做到這一點? 在此之后，受此加密形式保護(hù)的所有信息都將變得不安全。

因此，計算機科學(xué)家們試圖計算出構(gòu)建這樣一臺量子計算機可能需要的資源，以及構(gòu)建這種機器需要多長時間。此前的答案總是幾十年。

然而現(xiàn)在，谷歌的 Craig Gidney 和瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學(xué)院的 Martin Ekera 的研究工作顯示，這個答案需要被修正。研究人員已經(jīng)找到了一種更有效的方式，讓量子計算機執(zhí)行代碼破解計算，從而將量子計算機所需的資源減少了幾個數(shù)量級。

因此，這些量子計算機比任何人想象的都更接近現(xiàn)實。這一結(jié)果將讓政府、軍方和安全機構(gòu)、銀行以及所有需要保護(hù)數(shù)據(jù)長達(dá) 25 年甚至更長時間的人感到不安。

早在 1994 年，美國數(shù)學(xué)家 Peter Shor 就發(fā)現(xiàn)了一種量子算法，其性能優(yōu)于經(jīng)典算法。Shor 的算法因子大，是破解基于陷門函數(shù)密碼的關(guān)鍵因素。

陷門函數(shù)是基于乘法過程的，它在一個方向上很容易執(zhí)行，但在相反的方向上很難執(zhí)行。例如，將兩個數(shù)字相乘很簡單：593 乘以 829 等于 491,597。但是很難算出 491,597 是由哪兩個質(zhì)數(shù)相乘才能得到。

隨著數(shù)字的增大，計算變得越來越困難。事實上，計算機科學(xué)家認(rèn)為經(jīng)典計算機幾乎不可能分解出大于 2048 位的數(shù)字，而 2048 位是 RSA 加密最常用的基礎(chǔ)形式。

Shor 證明，一個功能足夠強大的量子計算機可以輕松做到這一點，這一結(jié)果在整個安全行業(yè)一石激起千層浪。

從那以后，量子計算機的功能一直在增強。2012 年，物理學(xué)家們用一臺四量子位量子計算機來分解 143。然后在 2014 年，他們使用了類似的設(shè)備來分解出了 56153。

按照這樣的發(fā)展速度，很容易想象，量子計算機應(yīng)該很快就能超越最好的經(jīng)典計算機。

但現(xiàn)實或許不是這樣。事實證明，量子因式分解在實際應(yīng)用中比我們想象的要困難得多。原因是，大型量子計算機存在一個重要難題——噪聲。目前處理噪聲的最佳方法是使用糾錯碼，但是糾錯碼需要大量額外量子位元。

這將顯著增加量子計算機分解 2048 位數(shù)字所需的資源。2015 年，研究人員估計，一臺量子計算機需要 10 億個量子位元才能可靠地完成這項工作。當(dāng)今最先進(jìn)的量子計算機只有 70 個量子位元，這是巨大的差距。

在此基礎(chǔ)上，安全專家很可能已經(jīng)能夠證明，用量子計算機破解 2048 位 RSA 加密的信息，還需要幾十年的時間。

現(xiàn)在，Gidney 和 Ekera 已經(jīng)展示了量子計算機如何用 2000 萬個量子位來進(jìn)行計算。事實上，他們證明，這樣一個裝置只需要8 個小時就可以完成計算。他們表示：“(這一結(jié)果)，已經(jīng)使得分解 2048 位 RSA 整數(shù)最多需要多少量子位，下降了近兩個數(shù)量級?！?/p>

他們的方法側(cè)重的是用一種稱為冪模運算的更有效的方法來執(zhí)行數(shù)學(xué)運算。冪模運算是將數(shù)字提高到某個冪然后除以另一個數(shù)，找到余數(shù)的過程。

這個過程是 Shor 算法中計算量最大的操作。但是 Gidney 和 Ekera 找到了多種方法來優(yōu)化它，顯著地減少了運行算法所需的資源。

這是一項有趣的工作，對于所有為未來存儲信息的人來說都具有重要的意義。一臺 2000 萬個量子位的量子計算機在今天看來無疑還很遙遠(yuǎn)。但專家們需要知道的是，在他們確保信息安全的 25 年內(nèi)，這種設(shè)備是否有可能實現(xiàn)。如果能實現(xiàn)，那么人們就需要一種新的加密方式了。

事實上，安全專家已經(jīng)開發(fā)出了量子計算機也無法破解的后量子代碼。因此，現(xiàn)在可能已經(jīng)有方法可以保護(hù)數(shù)據(jù)免受量子計算機未來的攻擊。但是這些代碼現(xiàn)在還沒有作為標(biāo)準(zhǔn)使用。

對于普通人來說，被破解的風(fēng)險很小。大多數(shù)人使用 2048 位加密或類似的方法來完成用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送信用卡詳細(xì)信息的任務(wù)。如果這些交易記錄發(fā)生在今天，即使在 25 年內(nèi)被破解，那么損失也會微乎其微。

但對政府來說，風(fēng)險會更大。他們今天發(fā)出的信息，例如大使館和軍方之間的信息，在 20 年后可能會很重要，因此值得保密。如果這些信息仍然通過 2048 位 RSA 加密或類似的方式發(fā)送，那么這些組織就應(yīng)該開始擔(dān)心了。