《教育停看聽》當紅量子計算的希望與危險

張瑞雄 2023/08/29 11:01 點閱 3782 次
量子計算對加密的影響既是挑戰也是機遇,我們迫切需要適應和強化我們的密碼系統,但量子計算也提供了創新的工具來增強安全性。(網路截圖)
量子計算對加密的影響既是挑戰也是機遇,我們迫切需要適應和強化我們的密碼系統,但量子計算也提供了創新的工具來增強安全性。(網路截圖)

量子計算利用量子力學原理可用傳統計算機難以想像的速度執行複雜的計算,這種非凡的計算能力給加密領域帶來了希望和危險,加密領域已是現代數位系統安全的重要支柱。

如今量子計算的可行性逐漸逼近,其對加密的潛在影響,以及面對這種範式轉變該如何保護我們的數位世界呢?

量子運算的疊加現象

量子計算的運行原理與傳統計算完全不同,傳統計算機利用二進制的0和1來處理和存儲信息。相比之下,量子計算使用量子位元(Quantum bit, Qubit)。由於一種稱為疊加的現象,量子位元可以同時存在於多種狀態,這種處於多種狀態的固有能力,增加了量子計算機的計算能力。

此外,量子糾纏是另一個核心原理,它使量子位元能夠以這樣糾纏方式互連:一個量子位元的狀態立即影響到另一個量子位元的狀態,而不管它們之間的物理距離如何,此屬性提供了一種關聯量子位元的方法,這也讓量子電腦的能力更加強大。

公鑰密碼學(Public Key Cryptography)是現代數位通信和安全的基石,它依賴於某些問題的數學難度來保護數據。其中一個問題是將很大的數字分解為其質因數(例如12可分解為2x2x3),這構成了RSA(Rivest-Shamir-Adleman)等廣泛使用的加密演算法的基礎。然而量子計算的出現可能會破壞這些系統的安全性。

大數的分解的危機

Shor演算法由數學家Peter Shor於1994年設計出來,是量子計算對加密帶來的最重大威脅之一。Shor的演算法可以有效地分解大數,這將使傳統的加密方法變得脆弱。雖然傳統計算機需要花費非常久的時間來破解這些加密,但足夠強大的量子計算機可以快速地完成這一任務,從而危及敏感信息的機密性。

隨著實用量子計算的曙光漸近,對量子安全密碼學的需求變得越來越迫切。研究人員和密碼學家一直在努力開發能夠承受量子計算機計算能力的加密方法,這些新方法利用了被認為對Shor演算法等具有抵抗力的數學問題。

美國國家標準與技術研究院等一直在積極評估量子安全的密碼演算法,以建立後量子時代安全通信的新標準,這項積極主動的努力希望能確保即使面對量子計算能力,加密仍然保持牢不可破。

量子的雙刃威脅

雖然量子計算徹底改變加密技術的潛力是不可否認的,但它的影響是一把雙刃劍。一方面,量子計算可能威脅現有的加密方法,另一方面,它們也可以用來增強安全性。例如量子密鑰分發(QKD)是如何利用量子力學來加強保密的一個例子,QKD利用量子力學原理使兩方能夠以無與倫比的安全性來交換加密密鑰,任何攔截密鑰交換的嘗試都會破壞脆弱的量子態,從而提醒各方注意潛在的竊聽行為。

量子計算對加密的影響既是挑戰也是機遇,雖然我們迫切需要適應和強化我們的密碼系統,但量子計算也提供了一些創新的工具來增強安全性。隨著世界邁向量子未來,找到量子計算的潛在威脅和好處之間的平衡對於確保一個安全的數位世界非常重要。