量子计算破解RSA：从理论威胁到现实挑战
量子计算破解RSA：从理论威胁到现实挑战
2024年10月，中国研究团队宣布了一个震惊全球的消息：他们首次利用D-Wave量子退火系统成功破解了RSA加密算法。这一突破不仅展示了量子计算在密码学领域的巨大潜力，也向全世界敲响了警钟——我们现有的信息安全体系正面临着前所未有的挑战。
Shor算法：量子计算的“密码杀手”
要理解这一突破的意义，我们首先需要了解Shor算法——这个被誉为“密码杀手”的量子算法。
1994年，数学家彼得·肖尔提出了Shor算法，它能够在量子计算机上高效分解大整数。而大整数分解正是RSA加密算法的核心安全基础。RSA算法的安全性在于，对于经典计算机来说，分解两个大素数的乘积是一个极其耗时的过程，需要数千年甚至更长时间。然而，Shor算法却能将这个时间缩短到几小时甚至几分钟。
Shor算法的核心思想是将整数分解问题转化为对函数周期性的测量问题。具体来说，对于一个需要分解的整数N，算法会选择一个随机数a，并计算a的指数模N的函数值，即f(x) = a^x mod N。通过找到f(x)的周期，就能得到N的因子。
在经典计算机上，寻找函数周期需要指数时间复杂度。但在量子计算机上，Shor算法利用量子傅里叶变换来测量函数频率，从而在多项式时间内找到周期。这一突破性的发现意味着，一旦量子计算机达到足够的规模和稳定性，现有的RSA加密体系将彻底失去作用。
从理论到现实：量子计算的威胁已现端倪
虽然Shor算法在理论上已经证明了其破解RSA的能力，但直到最近，这种威胁才从理论走向现实。
中国研究团队利用D-Wave量子退火系统成功分解了一个22位的RSA整数。这个看似简单的数字背后，蕴含着深远的意义。这是首次有真正的量子计算机对当前多个全规模的SPN（代换-置换网络）结构算法构成实质性威胁。SPN结构是许多主流加密算法的核心基础，包括高级加密标准（AES）中的重要算法，如Present、Rectangle和Gift-64分组密码。
这一突破表明，量子计算对现有加密技术的威胁可能比预期来得更快。Everest集团高级分析师Prabhjyot Kaur警告说：“许多企业目前依赖的加密算法，如RSA和ECC，都是基于经典计算机难以快速解决的数学难题。然而，量子计算的兴起正在威胁这些算法的安全性。”
应对之道：后量子密码学的崛起
面对量子计算带来的安全挑战，全球科研机构和企业正在积极研发新的加密算法，以确保未来的信息安全。其中，最具代表性的进展来自瑞士半导体公司SEALSQ。
SEALSQ近日宣布推出全球首款抗量子安全硬件，这是后量子密码学领域的一个重大突破。该平台专为人工智能、区块链和物联网设计，能够有效抵御量子威胁。SEALSQ表示，其平台通过高效地认证、签名和加密数据，为量子时代的安全交易树立了新标准。
SEALSQ的解决方案基于两种重要的后量子密码学算法：KYBER和DILITHIUM。KYBER是一种基于格密码学的密钥封装机制，而DILITHIUM则是一种基于格的数字签名算法。这两种算法都具有较高的抗量子攻击潜力，被认为是未来密码学的重要发展方向。
量子计算的未来：机遇与挑战并存
尽管量子计算对现有加密体系构成了威胁，但其自身的发展也面临着诸多挑战。谷歌最新发布的Wilow量子芯片虽然在性能上取得了重大突破——T1时间接近100微秒，比之前的Sycamore芯片提升了5倍，错误率降低两倍——但距离实际应用仍有一定距离。
量子计算的商业化进程正在加速，但要实现大规模应用，还需要解决量子比特的稳定性、量子门操作的精确性以及量子算法的优化等问题。此外，量子计算的高昂成本和复杂性也是制约其普及的重要因素。
面对量子计算带来的挑战，各国政府和企业都在积极布局。中国在“十四五”规划中明确提出要在量子信息领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。美国、欧洲、日本等国家和地区也纷纷加大在量子计算领域的研发投入。
量子计算的发展是一把双刃剑。它既可能颠覆现有的信息安全体系，也可能为人类带来前所未有的计算能力。面对这一技术变革，我们需要做好充分准备，既要加快后量子密码学的研究和应用，也要积极推动量子计算技术的健康发展，确保我们在即将到来的量子时代能够掌握主动权。