如何尋找對抗量子計算機(jī)的武器
“這與‘矛’和‘盾’一樣,只要有盾,就一定有矛……”日前,華為公司創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官任正非在談及信息安全時如是說。
任正非口中的“矛”和“盾”,分別指的是基于區(qū)塊鏈加密技術(shù)的數(shù)字貨幣和基于量子計算機(jī)的破譯密碼技術(shù)。
那么,到底是“矛”更尖銳,還是“盾”更堅固呢?當(dāng)兩者相遇,又會發(fā)生什么?
對此,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息重點實驗室教授韓正甫近日對科技日報記者表示,區(qū)塊鏈主要是用非對稱加密算法來保護(hù)數(shù)字貨幣安全,而量子計算機(jī)以其無可比擬的計算能力,對上述加密算法形成威脅,使之可能被破解。
“通俗來說,為抵抗量子計算,加密算法需編制得更‘堅固’;為破解加密算法,量子計算機(jī)的性能需要更強(qiáng)勁。未來,構(gòu)造數(shù)字貨幣的加密算法將與量子計算展開博弈,兩者間或有一戰(zhàn)?!表n正甫說。
強(qiáng)大算力對加密算法構(gòu)成威脅
“到目前為止,業(yè)界對數(shù)字貨幣的定義尚未形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?!睆氖聟^(qū)塊鏈平臺開發(fā)、建設(shè)與運(yùn)營工作的微觀(天津)科技發(fā)展有限公司首席運(yùn)營官石卓對科技日報記者說,從廣義上來講,數(shù)字貨幣泛指一切以電子形式存在的貨幣,而狹義的數(shù)字貨幣一般特指以區(qū)塊鏈加密技術(shù)為基礎(chǔ)的密碼貨幣,即區(qū)塊鏈貨幣。如今,在“幣圈”比較流行的比特幣、以太幣、瑞波幣、萊特幣等,指的都是區(qū)塊鏈貨幣。
“可以說,比特幣是數(shù)字貨幣的鼻祖,目前市場上的數(shù)字貨幣種類不少,但通常都是基于區(qū)塊鏈技術(shù),只是在技術(shù)細(xì)節(jié)上存在些許不同?!笔拷榻B說,區(qū)塊鏈因具有去中心化、不可篡改的特性而被廣泛接受,它奠定了公眾對數(shù)字資產(chǎn)的信任。而量子計算技術(shù),可能會威脅作為區(qū)塊鏈安全支柱的非對稱加密算法的完整性,業(yè)界對此頗為憂慮。
這種威脅,主要來自量子計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力。韓正甫介紹說,當(dāng)前的密碼科學(xué)其本質(zhì)就是數(shù)學(xué),多數(shù)密碼其實就是由復(fù)雜模型轉(zhuǎn)化成的數(shù)學(xué)難題。比如,RSA密碼利用的就是簡單乘法?!芭e例來說,127×733=93091,這是個簡單的乘法等式,如果有人能很快推算出93091是127和733的乘積,那這個密碼就被破解了。若乘積是一個100位的數(shù)字,那從這個乘積去倒推它是哪兩個數(shù)的乘積,就是一個非常復(fù)雜的問題。”韓正甫說。
“區(qū)塊鏈加密技術(shù),主要采用的是非對稱加密算法。在非對稱密碼中,加密和解密用的‘鑰匙’是不同的,通常一個是公開的,被稱為公鑰;另一個是保密的,被稱為私鑰。公鑰與私鑰是一對,它們都是用算法生成的,如果用公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,那么只有用對應(yīng)的私鑰才能解密。如果給出私鑰,很容易就能推導(dǎo)出其對應(yīng)的公鑰,但私鑰一般都是保密的,用公鑰反向推導(dǎo)私鑰則十分困難,計算過程會特別復(fù)雜,這就是比特幣安全的原因?!表n正甫說。
韓正甫介紹道,以前設(shè)計的密碼都是抗電子計算機(jī)破解的,傳統(tǒng)電子計算機(jī)需要一步步去求解,這種計算方式叫串行計算。有時為求解一個數(shù)值,電子計算機(jī)可能要算上萬年,這樣就在一定程度上保證了密碼的安全性。
然而,這道計算難題,似乎能被量子計算機(jī)破解。量子計算機(jī)采用的是并行計算機(jī)制,即多步驟同時進(jìn)行,這樣計算速度就比電子計算機(jī)的串行計算機(jī)制快很多,特別是在處理復(fù)雜問題上。
“借助量子計算機(jī),從公鑰反向推導(dǎo)私鑰,計算難度有望被大大降低。以前,用傳統(tǒng)電子計算機(jī)需要經(jīng)過上萬年才能破解的密碼,可能量子計算機(jī)3天就能將其破解,從理論上說,量子計算機(jī)是非對稱加密算法當(dāng)前遇到的最大‘?dāng)橙恕??!表n正甫說。
量子計算軟件尚難攻破“幣門”“想要破解密碼,光有量子計算機(jī)這個硬件不行,還需要軟件,即解密算法,需‘軟硬兼施’,兩者缺一不可。目前一般認(rèn)為,肖爾算法和格羅弗算法,這兩種解密算法,是公認(rèn)的量子計算算法?!表n正甫說。
為比特幣提供安全保障的,主要是兩類密碼:一個是在“挖幣”過程中使用的哈希算法密碼,另一個是在區(qū)塊鏈上提供數(shù)字簽名的算法密碼。在“挖幣”時,哈希算法會為每個區(qū)塊計算出一個隨機(jī)數(shù),這個過程所得到的結(jié)果極易被驗證,但很難被破解者找到。
“從理論上來說,量子計算機(jī)可破解目前正在使用的一些傳統(tǒng)密碼,但具體怎么破解,目前還沒有成功的案例。不過,肖爾算法是最早被證明可在量子計算機(jī)上破解非對稱加密算法的解密算法。”韓正甫介紹道,早在1995年,肖爾算法的研制者——數(shù)學(xué)家彼得·肖爾就宣布,如果有量子計算機(jī),他就可破解當(dāng)時普遍使用的非對稱密碼——RSA密碼。
不過,目前肖爾算法還難以“對抗”哈希算法,格羅弗算法也尚難對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的密碼構(gòu)成太大的威脅??墒?,因為肖爾算法和格羅弗算法是公開的,所以數(shù)字貨幣的研發(fā)者,在設(shè)計時就會有意避開它們?!敖刂聊壳?,雖然沒有人能破解哈希算法,但也不能說哈希算法是量子計算機(jī)不能破解的?!表n正甫補(bǔ)充道。
“除了哈希算法和簽名算法,未來數(shù)字貨幣還可能會應(yīng)用其他的密碼技術(shù)。如果數(shù)字貨幣設(shè)計得不好,不用量子計算機(jī),傳統(tǒng)計算機(jī)也能將其瓦解?!表n正甫說,隨著計算方法和技術(shù)的進(jìn)步,目前未被破解的密碼難題,未來也可能會被數(shù)學(xué)家攻克。
雙方處于博弈狀態(tài)?互推彼此進(jìn)步數(shù)學(xué)家們在積極尋找破譯密碼的“鑰匙”時,密碼學(xué)專家也在積極尋找對抗量子計算機(jī)的“武器”。
“目前,已有一些有望對抗量子計算的候選密碼?!表n正甫說,比如格密碼,它雖然已有幾十年的歷史,但是由于其在數(shù)學(xué)計算方面的難度較大,因此一直未被當(dāng)作密碼進(jìn)行開發(fā)、利用。不過,由于量子計算機(jī)實在強(qiáng)大,它對密碼的攻擊是釜底抽薪式的,各種密碼在它面前都很容易露出破綻。在這種情況下,格密碼又重新被科學(xué)家“挖掘”出來,目前正在被重新設(shè)計,希望用它來抵御量子計算機(jī)的威脅。
石卓表示,還有人認(rèn)為,應(yīng)用多種密碼聯(lián)合機(jī)制,是可以抵抗量子計算機(jī)攻擊的。例如,基于哈希算法的密碼、基于糾錯碼的密碼、基于格的密碼、多變量二次方程組密碼等,可將它們聯(lián)合起來進(jìn)行使用。但這種方法,因其秘鑰長度過長、簽名信息十分冗長以及運(yùn)算時間過長,并不適用于數(shù)字貨幣。但未來可通過技術(shù)迭代,補(bǔ)足這些技術(shù)短板,用多種密碼聯(lián)合機(jī)制研發(fā)可抵御量子計算機(jī)攻擊的數(shù)字貨幣。
除了運(yùn)用技術(shù)手段,任正非表示,數(shù)字貨幣的安全,最終還要依靠法律來保障?!盀槭裁醇賻挪荒芰魍ǎ渴且驗橐话l(fā)現(xiàn)假幣,警察就要去抓你,抓住你就找到了源頭,處在源頭的人就可能要被判刑。在法律的威懾下,假幣不可能流通,貨幣安全就能夠得到保障。因此,信息安全首先是個技術(shù)問題,但最終解決還是要靠法律?!比握钦f。
“截至目前,量子計算機(jī)還未被真正研制出來,這些抗量子計算的密碼研究也都處在起步階段?!表n正甫說。
石卓也表示,量子計算機(jī)距離真正成熟還需要一段較長的時間,在此期間,區(qū)塊鏈的加密算法也會不斷迭代、升級,雙方都處在博弈狀態(tài)中,共同推動彼此技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。