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    概要

    量子推算机将对网络安全组成重大威胁。大型容错量子推算机建造出来后，，最常用的密码系统将半壁江山。这一威胁事关重大，，其应对拥有紧迫性。

    ；；；て肴涞暮吞，，免受量子技术武装的敌手是可能的，，但需格外审慎，，不能仅限于当真选择密码系统。

    量子技术还会对网络安全带来积极影响。选取最先进技术的量子设备可用来提升安全性，，实现传统不成能实现的工作，，好比拥有美满安全性的密钥扩大。量子推算机将成为将来通讯和推算网络中不成或缺的一部门，，我们必要开发实用的步骤，，使用与安全经典推算拥有一样安全保障的量子推算机。

    推算机系统和攻击者在软硬件方面与时俱进，，不休创新极度重要。人们能够设想到的最引人瞩主张发展，，莫过于推算模型范式的变动。量子技术似乎让我们靠近这种变动。本文探索网络安全和量子技术钻研的交叉领域。

    量子技术时期的初步。量子论的发展是20世纪的重大科学革命之一。从早期一向到齐全数学大局主义的发展，，以及随后第一批利用（好比晶体管和超导体等），，量子论在很多分歧的环境中极度成功。然而，，按预期节制量子系统的能力有限，，这限度了技术利用的种类。

    近年来，，这种情况产生了变动，，对量子系统的节制已大大加强，，而由于兴致和投入加大，，加上已有的科学突破，，似乎有但愿在不远的将来获得进一步的进展。全球多国已启动了国度量子技术打算，，投入的资金重大。谷歌、、、IBM、、、微软和BAT等各大工业公司及众多量子草创公司已设立了开发量子硬件的尝试室。这掀起了所谓的“第二场量子革命”：：按预期操控量子系统的能力引领了新时期，，众多新技术层出不穷，，在一些情况下有望取代现有的解决规划。

    能够说，，最重要的量子技术将是开发利用量子景象的推算设备（即量子推算机）。量子推算机可能会成为颠覆性创新，，提供比经典推算机壮大得多的推算能力。

    早已获得了卓越的量子技术成就。仅举两例：：谷歌最新的量子处置器Bristlecone占有创纪录的72个量子比特，，谬误率很低。卫星量子密钥分配已实现，，能够在7600千米的跨洲距离上实现信息理论安全加密。

    量子网络安全。大型量子推算机的发展及其带来的额外推算能力会给网络安全带来可怕的后果。好比说，，若是开发出足够大的“容错”通用量子推算机，，可高效解决分化因子和离散对数之类的重要问题——这些问题的难度确保了很多宽泛使用和谈（好比RSA、、、DSA和ECDSA）的安全性。然而，，应对选取量子技术带来的重大风险不是网络安全界的唯一问题，，量子技术在网络安全界必将阐扬作用。

    量子网络安全领域的钻研影响通讯和推算安全和隐衷的方方面面，，这都离不开量子技术的发展。

    量子技术被敌手利用时对网络安全会带来消极影响，，但被恳切方使用时则会带来积极影响。量子安全钻研通常分为三类，，这取决于谁能够使用量子技术、、、这种技术有多先进（见图1）。在第一类中，，我们确保目前能够执行的工作维持安全；；；在另两类中，，我们探索量子技术带来的新远景。

    图1.量子网络安全钻研领域的示意图

    与密码学中一样，，先如果资源方面的最糟糕场景：：恳切方齐全借助经典技术（没有量子能力），，而敌手可使用任何量子技术（不论这项技术目前是否存在）。尤其是，，如果敌手占有大型量子推算机。确保经典和谈的安全和隐衷保障无缺无损就叫后量子安全。

    在第二类中，，我们允许恳切方使用量子技术以获得加强的属性，，但限度只能使用那些现有的量子技术。同样，，敌手能够使用任何量子技术。在这一类中，，我们专一于获得经典职能，，但通过使用目前最先进的量子设备，，可能加强经典和谈的安全或效能。

    在第三类中，，着眼于更长远的将来，，分析因量子推算机而带来的和谈拥有的安全和隐衷。到时会有涉及量子推算机和通讯，，处置量子信息的工作，，有关方想维持数据的隐衷，，又想要所处置工作的安全有保障。这段时期不会太遥远，，由于如今开发的量子设备已突破量子推算的限度，，经典超等推算机能够仿照量子推算。

    这三类涵盖网络网络的所有方面。本文着重介绍量子推算机给密码攻击和利用新量子硬件缝隙的攻击带来的影响。至于利用现有经典硬件其他缝隙的步骤（好比时序攻击），，我们预计不会显著受益于量子技术，，因而不作深刻探求。

    量子推算的误区与现实

    量子推算机常被描述成神奇的推算设备，，可瞬间解决险些任何难题。现实上，，量子推算机的能力没那么夸大。我们下面澄清下量子推算机和量子敌手的推算能力，，以及四个最常见的误会。

    误区1.量子推算机执走运算方面比经典推算机快得多。

    从每秒执行大量操作的角度来看，，量子推算机并非速度更快。量子推算机之所以能加快推算速度，，是由于量子论允许算法支持经典推算机险些不成能执行的操作。因而，，实现加快必要发现适当使用这些操作的新算法，，这并非易事。的确，，加快成效重要取决于思考的特定问题。这诠氏缢为什么量子敌手只能破解某些公钥密码系统，，其他人只需稍加扭转（好比扭转密钥长度）就能维持安全。

    误区2.量子推算机同时执行（概率）推算的所有分支，，能够立即找到接受蹊径。

    量子推算机以一种怪异的方式索求新的可能性或推算分支。这类似经典概率推算机（Bpp），，重要区别在于量子推算机的行为存在带有复杂值的“概率”。该行为导致某些分支被“取缔”。该属性以及利用它的算法带来量子加快。然而在量子推算实现时，，仅通过一次读出/丈量来获得了局，，因而所有“未实现”的分支都不起作用，，与这个误区刚好相反：：量子推算机并行执行所有分支，，某人能够提取那些分支中的所有信息。

    误区3.量子推算机能够有效地解决NP齐全问题（好比观光商问题，，即TSM问题，，是最根基的路线规划问题）。

    量子推算机能够有效解决的一类决策问题名为BQP。它与其他已知类的（揣摩）关系可从图2中看到。尤其是，，NP并不蕴含在BQP中，，量子推算机无法有效地解决NP齐全问题。不外值得一提的是，，量子推算机在处置BQP之外的很多问题（好比二次搜索加快）时，，可提供多项式或恒定加快，，蕴含针对NP齐全问题的这种加快。针对很多工作，，即便这种小幅加快也可能很重要。好比在网络安全界，，它影响保障要求的安全级别所必要的密钥巨细。

    图2.复杂性类的揣摩关系。

    误区4。使用量子推算机难以解决问题，，足以使密码和谈免遭任何量子攻击。

    这是必要但并非充分的前提。量子攻击者会以各类方式使用量子性，，不仅为了更快地解决一些经典问题。接下来我们举例（叠加攻击），，并指明安全界说和证明技术都必要扭转。

    后量子安全：：量子敌手

    我们此刻必要对付量子攻击者，，这有三大原因。首先，，安全有可能被将来的技术破解。好比，，若是一些机构拦截并存储发送的加密电子邮件，，开发出量子推算机后，，能够用来解密邮件。其次，，开发后量子安全的密码解决规划，，获得高效能。对这些解决规划的安全设置信心，，必要多个独立顶尖钻研小组发展多年的钻研。第三，，我们扭转密码基础设施必要数年的功夫。

    凭据敌手使用“量子能力”的方式，，可将后量子密码学钻研分为三类（见图1）。第一类是敌手是经典敌手，，占有还能解决BQP问题的额外能力；；；痪浠八，，这类敌手如同尺度的经典敌手，，可别的接见oracle/量子推算机。在第二类和第三类中，，我们为敌手赋予额外的能力，，好比允许他们发送量子态的输入（查问），，而后使用（量子）输出及其量子推算机oracle，，以危及和谈安全。第二类会商安全界说的建：：团ぷ约爸苯雍蠊。第三类会商这种新的量子安全模型中（涉及的）证明技术所需的扭转。

    该把稳，，就使用的技术而言，，后量子安全类别中的所有和谈都是齐全经典的和谈。所有如实步骤都在经典设备中实现。相识量子推算（问题的难度）和总体量子技术（为其他类型的攻击建模）对于证明安全性至关重要。

    防备使用oracle量子推算机的敌手。第一个也是钻研最深刻的领域是，，确保所用和谈的安全性基于对量子推算机来说仍很难的问题拥有的难度。这显然是优先事项，，由于一旦制作出量子推算机，，攻击涉及的问题对量子推算机并不难的密码系统将垂手可得。如图2所示，，存在BQP之外的NP问题；；；在敌手能够接见oracle量子推算机的情况下，，公钥密码仍切实可行。

    有很多密码系统能够防御这种类型的攻击。它们能够分为基于散列、、、基于代码、、、基于格、、、多元和密钥等密码技术。这里探求三个问题：：信心、、、易用性和效能。

    问题很难，，而在一些情况下，，问题源自蕴含复杂性类的理论寓意，，这种观点；；；谖薹ㄕ业礁咝У慕饩龉婊蛭薹ǜ慕钟薪饩龉婊，，只管很多小组持久支出了致力。为经典推算机分化因子面对的难题就是这种情况。我们针对量子推算机分析密码系统中所用的问题拥有的难度时，，AB钱包信心通常更弱。更重要的是，，量子算法和量子复杂性理论方面的钻研也是新的，，从量子敌手的角度对系统进行适当的密码分析还不如经典推算来得透辟。

    最后，，可能最大的挑战是效能问题。对于国防和金融市场等某些利用而言，，即便以机能较差为价值，，也必要最高安全性，，但对于众多日常利用，，服务速度变慢不成接受。Ｋ伎嫉剿蟹矫，，现有的后量子密码系统不足效能。改进这方面或确定哪些利用能够容忍这其中一方面效能较低，，是活跃的钻研领域。

    叠加攻击：：扭转安全概念。安全性通常凭据敌手在某些如果的交互活动中获胜的可能性方面来加以界说。好比说，，有人将不成分辨（indistinguishability）界说为敌手无法以高于50%的概率获胜的活动，，这批注随机猜测明文比特是所能采取的最好步骤。

    在该活动中，，敌手获得使用学习阶段的额外能力，，能够要求所选择明文的密文。提供这些额外能力的动机基于这种场景：：敌手可能说服恳切方加密所选择的信息。为了确保隐衷，，这番操作不会为敌手在试图解密新闻方面提供任何优势。此刻，，我们要思考这种活动中有别的的能力进行量子查问（并接管量子答案）的敌手。量子敌手可能尝试使用这些叠加密文来破解密码系统。

    值得强调的是，，占有叠加与使用所有叠加项不一样。好比说，，若是某人直接丈量这种叠加，，会收到随机选择的明文密文，，安全不会受到：：。相反，，攻击必要在可揭示密码系统暗藏结构的另一种量子算法中使用密文状态的这种输出叠加。

    防备量子敌手的证明技术。我们应该将量子敌手的内部空间建模为通用量子态，，将其所有作为以及与恳切方的通讯建模为通用量子操作。用量子伎俩为敌手建模有两个影响。一方面，，它给了敌手更多的偏离/攻击方式，，好比上述的叠加攻击中。另一方面，，它对若何证明安全性有影响，，由于仿照视角必要仿照量子过程而不是经典过程。请把稳，，批注证明技术不合用并不料味着找到破解相应密码系统的攻击，，只意味着它不再能够被证明是安全的。

    量子加强安全：：

    面向经典用户的量子设备

    量子技术还可以为网络安全钻研提供优势。不妨思考在（恳切）和谈中参与量子步骤的可能性，，旨在与相应的齐全经典环境相比获得某些改进。改进在准则上是可行的，，最有名的例子就是量子密钥分配（QKD）。在QKD中，，使用不成信的量子通道和验证身份的经典通道，，能够在空间上分离的双方之间成立共享的密钥，，并占有信息理论安全。仅使用经典通讯，，不成能实现这项工作（现实上是信息理论安全密钥扩大）。重要的是，，占有信息理论安全的和谈意味着，，其安全并不基于任何推算如果，，因而即便攻击者使用量子推算机也维持安全。量子加强的另一个例子是量子指纹，，双方可使用少量通讯来确定是否在共享同样的比特串。

    量子加强安全领域的大部门钻研针对QKD，，然而存在其他诸多和谈和职能，，它们认可加强，，必要类似或稍微复杂的量子技术。其中一些技术蕴含：：量子随机数天生器、、、量子指纹鉴别、、、量子数字署名、、、量子硬币翻转、、、电子投票、、、拜占庭和谈、、、量子钱币、、、量子奥秘信息检索、、、安全多方推算（SMPC）和地位验证。

    量子技术发展迅速，，越来越多的量子加强和谈变为现实，，实用量子设备的远景随之辽阔起来。好比说，，除了各方之间的单一量子通讯外，，我们此刻能够让各方占有小型量子处置器。当前是进行这种钻研的大好时期，，我们能够思考量身定制的机关，，以加强特定的有关加密和谈（好比电子投票或SMPC）的机能。

    量子实现的安全：：

    安全使用量子推算机

    量子推算机在处置很多问题时拥有推算方面的优势。若是有这种设备，，人们在处置还必要隐衷和安全的工作时，，天然想利用这额外的推算能力；；；换句话说，，我们寻求量子支持的和谈拥有安全性。所有安全概念都必要扭转，，才合用于量子信息和量子推算，，好比身份验证、、、加密以及更复杂的概念（好比加密数据推算和安全多方推算）。当然，，这种问题要拥有意思，，我们先要有相当重大的量子推算设备，，为日常问题提供切实的推算优势。我们有望很快突破经典仿照的极限，，正进入量子技术加快的时期。量子加快用于处置重要的日常问题的功夫可能也不远了。

    这类钻研正日月牙异，，已经有很多和谈，，合用于量子加密、、、量子验证、、、量子非延展性、、、盲量子推算、、、安全多方量子推算和职能量子加密等。有多种和谈在分歧的优值方面进行优化，，好比最小化量子（或经典）通讯，，最小化某几个有关方的整体量子资源或量子资源，，提供第一流此外安全（信息理论vs后量子推算）。

    这类和谈大无数必要双方之间进行量子通讯，，在大无数情况下，，须对通讯的量子信息进行量子推算。这引起了两个问题：：一个是理论上，，一个是实际上。要实现这种工作，，必要与量子通讯设备兼容的量子推算设备。一方面，，量子通讯的最佳平台是光子型的，，由于很容易远距离发送用光子编码的量子信息。另一方面，，量子推算设备最有前途的一种步骤基于超导量子位。对通讯和推算而言，，优选的量子比特类型并不一致；；；此外，，目前甚至不知晓它们是否兼容。目前不知晓超导量子推算机是否能够成为“网络架构”的一部门，，由于它们目前用单体架构来制作，，不明显是否有可能发送和接管量子态。

    将来

    安全通讯和高效推算的能力对社会无比重要；；；チ臀锪哉飧鍪澜绮烁锩缘挠跋。今后5至10年，，随着量子技术成为主流推算和通讯领域的一部门，，我们会看到辽阔的远景。将来的网络注定同时蕴含经典设备及链路，，以及量子设备和链路。

    实现复杂的经典和量子通讯网络，，就必须依赖牢固的新基：：可能预感并处置现实执行和新利用的复杂性。

    图3.将来的通讯和推算网络

    后量子安全为经典互联网维持安全性摊平了路线，，而量子加强安全旨在从量子互联网发展受益，，以实现经典通讯无法获得的无与伦比机能。同时，，具备各类职能的量子云服务正遍及开来。量子支持的安全提供了平台，，使潜在用户确信量子云中这种前所未有的新推算能力，，拥有适当的正确性、、、靠得住性和隐衷尺度。

    关于作者

    PetrosWallden和ElephKashefi