后量子密码算法的研究内容与展望
后量子密码算法的研究内容与展望
摘要：密码是网络通信与信息安全的重要技术堡垒,随着量子算法研究的不断进步,经典密码体
制在信息安全保障上面临着巨大威胁。目前,后量子公钥密码算法是理论证明能够抵御量子计算
机攻击的核心力量。笔者通过量子算法对现代密码安全形成的威胁进行全面的介绍和总结,对当
前后量子密码的发展以及国内外最新研究进展进行探讨与评价,针对该领域中取得许多突破性研
究成果的四类主要的后量子密码算法进行分析,表明后量子密码的研究在信息安全中的重要性,
并指出未来可能的研究方向。
关键词：信息安全; 后量子密码; 公钥密码体制; 保密通信;
The Application and Analysis of Post Quantum Cryptography in Information Security
Yang Yanling
Hanshan Normal University
Abstract：Cryptography is an important technical bastion of network communication and
information security.With the progress of quantum algorithm research,classical cryptography is facing
a huge threat in information security.Nowadays the post quantum public key cryptosystem is the core
that can resist the attack of quantum computer.In this paper,the threat of quantum algorithms to
modern cryptography is introduced and summarized comprehensively,the development of post
quantum cryptography and the internationally latest research progress are discussed and evaluated
analyze four kinds of main post quantum cryptography algorithms that have made many breakthrough
research results in this field,which shows that the research of post quantum cryptography is important
in information securityand point out the possible research direction in the future.
0 引言
近年来,在以知识经济为主导的信息化社会里,网络以及信息系统的安全问题显得尤为突出。量
子计算对信息科学的影响,带动了量子计算机、量子通信和量子密码的研究热潮。量子计算机的
问世指日可待,有望成为未来计算机发展的主流,同时也对现有的信息安全技术带来巨大挑战。
现代计算机以及信息系统的安全依赖以数论问题的难解性为基础的传统密码技术,然而,面对强
大的量子分析时, “ ”这类密码技术都将变得 不堪一击 。鉴于量子分析技术日趋进步,为有效应对
随之而来的量子信息时代,以及量子计算对传统公钥密码技术形成的威胁,研究设计出能够抵御
量子计算攻击的新一代后量子密码方案任重道远。
1 量子算法的研究意义
密码技术是信息安全的核心,关系国家利益和国家网络空间安全层面,对一国的国防系统、军政
和民用网络所造成的破坏程度无法估量。如今放眼全球,从各国政府对量子研究的投入力度以及
不断推陈出新的研究成果中不难看出,该领域不仅拥有广阔的技术发展前景,还具有重要的国防
战略意义。我国在量子信息研究领域也做出了突出贡献,2017 年5月,潘建伟的团队已自主研发
了10 比特超导量子线路样品,成功实现了目前世界上最大数目超导量子比特的纠缠和完整的测
量。近期,Google 团队在一台53 比特的量子计算机上仅用 3分20 秒便完成了在超级计算机上需
要一万年的计算[1],这显示了量子计算超强的运算速度以及优越性,是该领域的又一次巨大突破,
将量子计算机的处理能力推向新的高峰。美国政府曾明确表示,该国量子计算研究进行到一定的
阶段,将不再对外公布任何相关的技术资料,研究结果将严格保密,也不在学术会议中公开发表关
于量子计算研究的进展。可见,量子算法的研究在信息安全中的地位不仅是一个技术层面上的问
题,还会影响一个国家的国防、经济和社会稳定的全局战略。
2 量子计算能力对现代密码技术的潜在冲击
量子计算对现代密码安全的威胁绝不是危言耸听。自 2001 年,IBM 公司研制出 7个量子位的量
子计算机,就已宣告了量子计算机在应用上的可行性。目前,关于量子算法的极限仍无法确定,对
量子计算机的研究仍处于探索阶段,因此,它的普及应用尚有待时日。尽管量子算法对传统密码
的威胁需要在量子计算机投入使用后才能真正实现,但是随着研究不断深入,通用型量子计算机
的出现指日可待,在可以预期的十几年内,经典公钥密码算法的安全性将受到严峻考验。当前国
际上对量子计算机技术的研究与投入,正加速这种潜在威胁成为现实。
量子计算机拥有超强计算能力的重要前提是量子算法高效的计算并行性,它可以将原来在经典计
算机环境下无法高效解决的一类数学困难问题变得容易计算,缩短求解时间。量子密码的安全主
要是建立在量子理论的 Heisenberg 测不准原理和未知量子态的不可克隆、不可删除定理、测量
量子态不可逆塌缩等一系列物理原理的基础上,与攻击者的计算能力无关,是一种基于非数学原
理的密码。正是由于量子信息工程的出现,现代密码学的研究从原来的基于数学的密码向基于非
数学的密码转变。
量子算法中以 1994 年的 Shor's algorithm 以及 1996 年的 Grover's algorithm 为代表,这两大着名的
量子算法在理论上已经被证明对高效求解大多数公钥密码依赖的数学难题,破译对称密码和哈希
函数有一定的作用。Shor 算法[2]的核心内容是基于傅里叶变换原理,模幂运算的量子求阶算法,
可以在多项式内高效解决大整数质因子分解、椭圆曲线离散对数等数学问题,这直接影响到
RSA、ElGamal[3]和ECC[4]等公钥密码算法的安全。一旦量子计算机投入使用,以上一系列基于
“ ”数论难题的传统公钥密码算法的安全性将变得 不堪一击 。Grover 量子搜索算法[5]能够提高搜
索密钥空间的效率, “ ”在速度上达到 指数减半 的效果,提高攻击者成功破解密钥的概率,这对哈希
函数和对称密码算法造成极大威胁。但因为该算法在应用上有许多限制条件,所以影响比较有
限,防御对策只需要简单地通过适当增加密钥长度,比如至少扩大2倍密钥长度,便可在一定程度
上抵抗Grover 量子计算攻击。因此,从破解经典密码算法的能力来看,Shor 算法比 Grover 算法发
挥的作用更大。
实际上,传统公钥密码体制的安全是建立在现代计算机有限的计算能力前提下,即在多项式时间
内计算机无法高效求解的数学难题,对于此类难题如果运用量子计算机进行求解却是轻而易举
的。但量子计算分析并不能有效求解所有的数学难题,如今仍然存在一些计算复杂性困难问题尚
未被量子计算高效破解,这成为研究后量子密码技术的突破口。不可否认未来依然需要依赖密码
技术来保障信息安全,为应对量子计算对网络信息安全造成的威胁,在已知的量子算法特征的基
础上,研究出能有效抵御量子计算攻击的新一代密码体制是目前最为可行的方案之一。
3 后量子密码算法
人们对量子计算机实用化的信心以及量子信息时代通信安全的关注,推动着后量子密码研究的不
断发展。后量子密码已逐渐成为科研界的热点话题, “ ”研究学者们为即将到来的 后量子时代 做准
备,力图设计出足以抵御量子计算机攻击的有效密码方案, “并将这类研究统称为 后量子密码
”学 。密码学界把这一类能够有效抵抗经典计算机攻击,又能抵御已知的量子计算攻击的密码算
法,称为后量子密码(Post-Quantum Cryptography,简称 PQC),或称为抗量子密码(Quantum-resistant
Cryptography)[6]。总的来说,后量子密码主要是针对量子计算的特点,结合传统密码的优势设计
能够抵御量子计算攻击的密码方案, “ ”实现 后量子密码 在应用上的安全性、可靠性和可操作性
[7],实现通信数据安全。
后量子密码的研究前景广阔,近年来美国和欧洲各国都在大力推动后量子密码的应用和密码算法
标准化工作,积极开展后量子密码体制的研究。早在2015 年1月,欧盟启动后量子密码算法
SAFECRYPTO 应用项目,同年 3月,整合欧洲多所高校和科技企业力量,开展全球后量子密码算法
旗舰项目PQCRYPTO[8],并将其纳入欧盟地平线2020 计划。2018 年也相继开展了后续的
PROMETHEUS 项目,致力于打造新一代安全实用的后量子密码方案。
作为信息安全有效防御计划的最新一步,2016 年4月,美国国家标准与技术研究局NIST 发布
“ ”了 后量子密码学 的研究报告[9],同时为甄选出一套最强的候选算法, “美国启动了 抗量子密码算
”法标准化工作计划[10],面向全球征集后量子密码标准,意图打造出能够保障网络通信与信息系
统免受未来量子计算机攻击的后量子密码算法,预计在 2022-2023 年完成后量子密码标准算法的
起草与发布。截至 2017 年11 月30 日,NIST 共收到来自全球的候选算法 82 份。经过 NIST 的数
学家和计算机科学家第一轮评估后,选出26 “ ”个后量子密码学标准化项目 的最强候选算法进入
第二轮评估,其中,候选公钥加密和密钥建立算法标准有17 个,候选数字签名算法标准有9个
[11]。此次美国NIST 发起的算法征集中,欧洲是参与征集算法的最大来源,在入选的26 个候选算
法方案中,15 个来自欧洲。
摘要：
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后量子密码算法的研究内容与展望摘要：密码是网络通信与信息安全的重要技术堡垒,随着量子算法研究的不断进步,经典密码体制在信息安全保障上面临着巨大威胁。目前,后量子公钥密码算法是理论证明能够抵御量子计算机攻击的核心力量。笔者通过量子算法对现代密码安全形成的威胁进行全面的介绍和总结,对当前后量子密码的发展以及国内外最新研究进展进行探讨与评价,针对该领域中取得许多突破性研究成果的四类主要的后量子密码算法进行分析,表明后量子密码的研究在信息安全中的重要性,并指出未来可能的研究方向。 关键词：信息安全;后量子密码;公钥密码体制;保密通信;TheApplicationandAnalysisofPostQua...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-05-18
