抗量子密码学：驾驭后量子安全格局

量子计算的出现对当前的密码系统构成了重大威胁。这些系统是保障从网上银行到国防等一切安全的基础，它们依赖于经典计算机在合理时间内无法解决的数学难题。然而，利用量子力学原理的量子计算机有潜力破解许多这些广泛使用的算法。这使得开发和实施抗量子密码学 (QSC)，也称为后量子密码学 (PQC)，成为在后量子时代保护数据的必要措施。

迫在眉睫的量子威胁

虽然功能齐全的大规模量子计算机尚未成为现实，但其发展正在加速。“先存储，后解密”的攻击是一个非常现实的担忧。恶意行为者可能今天就在收集加密数据，期待未来利用量子计算机来解密这些数据。这使得向抗量子密码学的过渡成为一项至关重要且紧迫的优先事项，无论量子计算技术的现状如何。

例如，考虑敏感的政府通信、金融交易和知识产权。如果这些信息使用易受量子攻击的算法加密，即使原始数据是多年前加密的，它们也可能在未来被破解。其后果可能是毁灭性的，从经济损失到国家安全漏洞。

了解后量子密码学 (PQC)

后量子密码学指的是被认为能够抵御经典计算机和量子计算机攻击的密码算法。这些算法被设计用于在经典硬件和软件上实现，以确保与现有基础设施的兼容性。其目标是在量子计算机变得足够强大以破解现有加密标准之前，用PQC解决方案取代当前易受攻击的算法。

PQC算法的关键原则

PQC算法基于与传统密码学所用不同的数学问题。一些最有前途的方法包括：

• 基于格的密码学：基于解决高维空间中数学结构“格”相关问题的难度。
• 基于编码的密码学：依赖于解码通用线性码的难度。
• 多元密码学：使用有限域上的多元多项式方程组。
• 基于哈希的密码学：其安全性源于加密哈希函数的特性。
• 超奇异同源迪菲-赫尔曼 (SIDH) 和超奇异同源密钥封装 (SIKE)：基于超奇异椭圆曲线之间的同源关系。 注意：SIKE在最初被选中进行标准化后被破解。这凸显了严格测试和分析的重要性。

NIST的后量子密码学标准化进程

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 一直在领导一项全球性的后量子密码算法标准化工作。该过程始于2016年，通过征集提案，并由密码学界进行了多轮评估和测试。

2022年7月，NIST宣布了第一批将被标准化的PQC算法：

• CRYSTALS-Kyber：一种基于模块误差学习 (MLWE) 问题的密钥建立机制。
• CRYSTALS-Dilithium：一种基于模块误差学习 (MLWE) 问题和 Fiat-Shamir 变换的数字签名方案。
• Falcon：一种基于紧凑离散加权平均近似整数分解问题（基于编码的格）的数字签名方案。
• SPHINCS+：一种无状态的基于哈希的签名方案。

这些算法有望成为许多应用中后量子安全的基础。NIST正在继续评估其他候选算法，以备未来几轮的标准化。

向后量子密码学过渡：实用指南

迁移到后量子密码学是一项复杂的任务，需要周密的规划和执行。以下是帮助组织驾驭这一过渡的分步指南：

1. 评估您当前的密码学环境

第一步是对组织内的所有密码系统和应用程序进行彻底盘点。这包括识别当前使用的算法、密钥大小和协议。此评估应涵盖您IT基础设施的所有领域，包括：

• Web服务器和应用程序
• 数据库
• 虚拟专用网络 (VPN)
• 电子邮件服务器
• 云服务
• 物联网 (IoT) 设备
• 嵌入式系统

了解您当前的密码学依赖关系对于识别潜在漏洞和确定迁移的优先领域至关重要。

2. 根据风险对系统进行优先级排序

并非所有系统都需要立即迁移到后量子密码学。应根据其保护数据的敏感性以及安全漏洞的潜在影响来确定系统的优先级。考虑以下因素：

• 数据敏感性：被保护的数据有多关键？它是机密的、专有的，还是受合规性要求管制的？
• 数据生命周期：数据需要保持安全多长时间？具有长生命周期的数据，如档案记录，需要立即关注。
• 系统关键性：该系统对组织的运营有多重要？关键系统的中断可能会产生重大后果。
• 法规遵从性：是否有任何法律或法规要求强制使用后量子密码学？

首先专注于保护最关键和最敏感的数据，并随着资源和时间的允许逐步迁移其他系统。

3. 制定迁移策略

一个明确的迁移策略对于成功过渡到后量子密码学至关重要。该策略应概述以下内容：

• 时间表：为迁移过程建立一个现实的时间表，考虑所涉系统的复杂性和资源的可用性。
• 资源分配：分配足够的人员、预算和技术等资源来支持迁移工作。
• 测试和验证：彻底测试和验证后量子密码学的实现，以确保其安全性和功能性。
• 回滚计划：制定一个回滚计划，以防在迁移过程中出现任何问题。
• 沟通计划：向利益相关者，包括员工、客户和合作伙伴，传达迁移计划。

迁移策略应灵活并能适应不断变化的环境，例如新量子计算技术的出现或新PQC算法的标准化。

4. 选择并实施PQC算法

选择适合您特定用例和安全要求的PQC算法。考虑以下因素：

• 安全强度：确保所选算法提供足够的安全性，以抵御经典攻击和量子攻击。
• 性能：评估算法在速度、内存使用和代码大小方面的性能。
• 兼容性：确保算法与您现有的基础设施和应用程序兼容。
• 标准化：优先选择已由NIST或其他信誉良好的组织标准化的算法。

与密码学专家合作，为您的特定需求选择最佳算法，并安全地实施它们。

5. 考虑混合方法

在向后量子密码学过渡的早期阶段，可以考虑使用将传统算法与PQC算法相结合的混合方法。这可以提供额外的安全层，并确保与旧系统的兼容性。例如，您可以使用结合了RSA或ECC与CRYSTALS-Kyber的混合密钥交换协议。

混合方法还有助于降低在新PQC算法中发现漏洞的风险。如果一个算法被攻破，另一个算法仍然可以提供安全性。

6. 保持信息灵通并适应变化

抗量子密码学领域在不断发展。请随时了解量子计算和PQC算法的最新发展，并相应地调整您的迁移策略。监控NIST的PQC标准化进程，并遵循安全专家的建议。

参加行业论坛和会议，向其他组织学习并分享最佳实践。

挑战与考量

向后量子密码学的过渡带来了若干挑战和考量：

• 复杂性：实施PQC算法可能很复杂，需要专业知识。
• 性能开销：一些PQC算法可能比传统算法有更高的计算开销，这可能会影响性能。
• 标准化不确定性：PQC算法的标准化是一个持续的过程，一些算法可能会被更改或撤回。
• 互操作性：确保不同PQC实现之间的互操作性可能具有挑战性。
• 密钥和证书管理：管理后量子密钥和证书需要新的基础设施和流程。
• 硬件依赖性：一些PQC算法可能需要专门的硬件才能达到最佳性能。

组织需要积极应对这些挑战，以确保向后量子密码学的平稳成功过渡。

全球影响与行业采纳

对抗量子密码学的需求超越了地理界限。世界各地的政府、金融机构、医疗保健提供商和科技公司都在积极探索和实施PQC解决方案。

全球倡议示例：

• 欧盟：欧盟正通过“地平线欧洲”计划资助专注于后量子密码学的研发项目。
• 中国：中国正大力投资于量子计算和量子密码学，并积极制定PQC算法的国家标准。
• 日本：日本总务省 (MIC) 正在推动在关键基础设施中采用抗量子密码学。
• 美国：美国政府正强制要求联邦机构使用NIST标准化的PQC算法。

各行各业也正在采取措施为后量子时代做准备：

• 金融服务：银行和金融机构正在探索PQC解决方案，以保护敏感的金融数据和交易。
• 医疗保健：医疗保健提供商正在实施PQC算法，以保护患者数据和医疗记录。
• 电信：电信公司正在部署PQC解决方案，以保护通信网络和基础设施。
• 云计算：云提供商正在提供支持PQC的服务，以保护客户数据和应用程序。

抗量子密码学的未来

抗量子密码学领域正在迅速发展，持续的研发工作专注于提高PQC算法的安全性、性能和可用性。未来发展的一些关键领域包括：

• 算法优化：优化PQC算法，以提高其在不同硬件平台上的性能和效率。
• 硬件加速：开发专用硬件以加速PQC算法的执行。
• 形式化验证：使用形式化方法来验证PQC实现的正确性和安全性。
• 侧信道抗性：设计能够抵抗侧信道攻击的PQC算法。
• 可用性改进：使PQC算法更容易集成到现有系统和应用程序中。

随着量子计算技术的发展，对抗量子密码学的需求将变得更加关键。通过主动应对量子威胁并实施强大的PQC解决方案，组织可以确保其数据和基础设施的长期安全。

结论

抗量子密码学已不再是一个未来的概念，而是当今的必需品。量子计算机对现有密码系统构成的潜在威胁是真实且日益增长的。通过理解PQC的原则，遵循NIST的标准化工作，并实施一个明确的迁移策略，组织可以驾驭后量子安全格局，并保护其数据免受未来威胁。现在是采取行动的时候了，为了一个日益受到复杂网络攻击威胁的世界，确保我们的数字未来。