什么是量子計算機(jī)？

它是當(dāng)今世界最新型的計算機(jī)，被譽為“夢想的超高速計算機(jī)”。它擁有無可比擬的運算速度，甚至比當(dāng)今的超級計算機(jī)還要快1億倍。它的出現(xiàn)勢必掀起各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)革新狂潮，推動人類文明的發(fā)展。目前，學(xué)術(shù)界有觀點認(rèn)為：距離量子計算機(jī)實際應(yīng)用的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)，而其一旦投入實際使用，目前耗時數(shù)十年的計算工作（例如：氣象預(yù)測和基因組分析等）有望在幾小時完成。

但是，量子計算機(jī)的強(qiáng)大處理能力也是一把雙刃劍。未來，我們在享受其帶來的便捷生活的同時，也將面臨各種始料未及的風(fēng)險。最直接的后果就是：保障當(dāng)前通信安全的傳統(tǒng)密碼，例如“RSA密碼”¹，很可能在短時間內(nèi)被輕易破解。
1RSA密碼：當(dāng)今主流的密碼技術(shù)之一。其特點是：“采用質(zhì)因數(shù)分解的方法，將大整數(shù)分解成質(zhì)數(shù)相乘的形式”，是世界首個既可用于數(shù)據(jù)加密，又可用于數(shù)字簽名的加密算法。

如果密碼無法保護(hù)機(jī)密信息，那么網(wǎng)上購物和虛擬貨幣交易將暴露于風(fēng)險之中，引發(fā)一連串的嚴(yán)重問題。這是普及量子計算機(jī)面臨的最大難題。為迎接即將到來的量子計算機(jī)時代，世界各國的技術(shù)研發(fā)部門正在積極探索全新的密碼技術(shù)，以確保量子計算機(jī)時代的用戶信息安全。

一、量子計算機(jī)無法破解的密碼體制是什么？

東芝研發(fā)中心的秋山浩一郎表示：“關(guān)于量子計算機(jī)實用化的具體時間，目前尚無法預(yù)測。但可以確定的是，量子計算機(jī)遲早會投入使用。當(dāng)然，量子計算機(jī)并非全無漏洞，輕易破解傳統(tǒng)密碼體制的風(fēng)險就嚴(yán)重推后了其實用化的時間。目前，我們急需解決來自兩方面的難題：技術(shù)方面和法律方面。作為技術(shù)工作者，我們會在技術(shù)領(lǐng)域竭盡全力，以求早日研發(fā)出可靠的密碼體制，確保用戶的信息安全。”

早在2000年前后，東芝就與日本北海道教育大學(xué)一起，著手基礎(chǔ)研討工作。隨后，東京大學(xué)與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所也加入進(jìn)來，成立了聯(lián)合研究團(tuán)隊，正式開始密碼技術(shù)的研發(fā)工作。

東芝研發(fā)中心秋山浩一郎

公鑰密碼到底是怎樣的技術(shù)呢？秋山結(jié)合東芝研究團(tuán)隊的抗量子計算公鑰密碼技術(shù)概要，為大家進(jìn)行了講解。

秋山介紹道：“公鑰密碼按字面意思，就是公開加密時所用的‘密鑰’。雖然用戶使用該公鑰進(jìn)行加密，但使用公鑰本身卻無法解讀密碼。信息接收端必須擁有另一套私鑰才能解讀密碼。既然公鑰密碼使用公開密鑰（公鑰），就會存在這樣一種風(fēng)險：有人將公鑰作為線索破解密碼。但是，這種破解密碼的運算需要極長的時間，實際應(yīng)用中幾乎無法實現(xiàn)，所以公鑰密碼技術(shù)仍是安全的。此次研發(fā)的抗量子計算公鑰密碼技術(shù)采用了‘非線形方程式’算法，其運算難度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)算法，能夠確保密碼安全。”

此前，學(xué)術(shù)界也曾提出過很多“抗量子計算公鑰密碼”技術(shù)。其中，“格密碼”技術(shù)最具代表性，它采用的是“基于格的最短向量問題”這種超難問題算法方式，即使是當(dāng)前的量子計算機(jī)也難以破解。但是，這需要龐大的公鑰密碼以增加運算難度，這就讓公開密鑰的數(shù)據(jù)量變得龐大，因此難以實際應(yīng)用。

而東芝此次研發(fā)的技術(shù)則不存在此類問題。它在非線形方程式的答案中，選擇最短算式作為密鑰，大大削減了密鑰的數(shù)據(jù)量。此外，東芝研發(fā)的技術(shù)還可以克服傳統(tǒng)格密碼所存在的一定概率解密失敗的課題。

“有學(xué)者認(rèn)為：新一代密碼技術(shù)市場將早于人們預(yù)期，在2020年啟動，到2030年，其市場規(guī)模將增長到2.1兆日元。因此，量子計算機(jī)難以破解的密碼技術(shù)將扮演舉足輕重的角色，成為社會基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)大后盾。我們目前正在致力于密碼技術(shù)的研發(fā)工作，旨在應(yīng)對未來幾十年量子計算機(jī)的實用化需求。”

二、抗量子計算公鑰密碼技術(shù)會給生活帶來哪些影響？

目前，各國正在夜以繼日地進(jìn)行著量子計算機(jī)的研發(fā)工作。考慮到性能和成本等因素，一般用戶使用量子計算機(jī)的日子還很遙遠(yuǎn)。但是，不遠(yuǎn)的將來，政府機(jī)關(guān)和一般企業(yè)將會根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在技術(shù)可控的范圍內(nèi)，引進(jìn)量子計算機(jī)投入實際使用。

如果上述夢想成真，量子計算機(jī)被濫用于破解密碼的風(fēng)險必將突顯。那也正是我們此次研發(fā)的抗量子計算公鑰密碼技術(shù)大顯身手的好時機(jī)。

“抗量子計算公鑰密碼與目前的RSA密碼一樣，不為一般用戶所知，默默無聞地發(fā)揮著巨大的作用。量子計算機(jī)的實際應(yīng)用自然能讓我們的生活變得更加方便，但如果抗量子計算公鑰密碼體制的實用化步伐沒能及時跟上，在信息安全方面無法維持現(xiàn)有的安全體制，通信領(lǐng)域的便利性也將不復(fù)存在。量子計算機(jī)時代真正到來之時，不應(yīng)給人們生活帶來困擾，而應(yīng)保持社會的平穩(wěn)運行。因此，確立保障現(xiàn)有便利生活的密碼技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。”

總而言之，量子計算機(jī)時代離不開新一代密碼技術(shù)的支持，只有這樣，人們才能在享受量子計算機(jī)帶來的高效生活的同時，不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)安全問題，可以和以前一樣，用郵件收發(fā)重要文件，用線上支付的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)購物。換個角度考慮，量子計算機(jī)有了強(qiáng)大的密碼技術(shù)作后盾，安全性得到了保障，也必將以更快的速度得到推廣普及。在即將到來的量子計算機(jī)時代，有了東芝抗量子計算公鑰密碼技術(shù)的加持，安全高效的未來生活不再是夢想！