量子計算機將使當前的安全機制容易受到新型網絡攻擊的攻擊——這對于芯片卡和網絡車輛或工業控制系統等復雜技術系統來說都是一個真正的問題。它們有可能打破廣泛用于物聯網數據通信系統的密碼模式。

隨著量子計算機的出現，現代加密算法正在經歷一場將顯著改變其當前用途的演進。為了支持互聯網和其他基于密碼技術的安全性，有必要增加數學研究以構建未來的密碼學，該密碼學能夠抵抗量子攻擊，并將被稱為后量子或抗量子密碼學。

“可以破解密碼學的量子計算機將成為攻擊者的強大工具，”英飛凌科技公司高級工程師 Thomas Poeppelmann 博士說。

根據最新的泰雷茲數據威脅報告，全球 72% 的接受調查的安全專家認為，量子計算能力將在未來五年內影響數據安全技術。因此，需要強大且面向未來的安全解決方案。潛在威脅廣泛存在，從未來的汽車到工業機器人。

托馬斯·波佩爾曼

物聯網安全
密碼學的現代使用旨在幫助確保在物聯網生態系統中傳輸的多個數據的機密性、真實性和完整性，包括消費者和工業數據。

“物聯網設備的安全要求可能非常復雜，”Poeppelmann 說。“因此，單一的技術或方法無法實現安全性。例如，供應商必須考慮安全軟件開發、受保護補丁管理、供應鏈安全、防止物理攻擊、信任和身份管理以及安全通信等方面。”

許多公司，例如英飛凌，都在開發基于芯片的量子安全機制。特別強調了嵌入式系統量子安全密碼方法的適用性和實際實現。

“物聯網設備必須檢查軟件更新是否真的來自供應商，并且它不是由攻擊者創建的，”Poeppelmann 說。“如果物聯網設備中使用的加密方法可以被攻擊者破解，這將使其暴露在很多漏洞中。通過量子安全密碼學，我們希望為我們的客戶提供密碼學方法，這些方法甚至可以防止使用量子計算機的攻擊。借助我們的后量子技術，我們的目標是提供長期安全性并抵御非常強大的攻擊者。”

經典的計算機攻擊者可以使用所有必要的手段，例如人工智能和功能越來越強大的計算機，來克服安全障礙。

根據結果和任務，攻擊者可能愿意花費幾個月的時間來破解密碼模式。開發人員必須提供可訪問且易于集成的解決方案的最大安全性。

Poeppelmann 說：“安全行業正在開發可以在具有成本效益的經典計算機甚至微型智能卡芯片上執行的加密技術，同時還能抵御最強大的攻擊者。”

他補充說：“這種情況也適用于應該承受量子計算能力的后量子密碼學的發展。防御者仍可能在經典計算機和機器上實施密碼學，而攻擊者可能在不久的將來使用量子計算機。當前用于所謂的量子密鑰分發 [QKD] 的方法（其中使用量子技術來實現機密性）目前過于昂貴或過于受限，而當前對后量子密碼學的評估證明它可能是量子安全的負擔得起。這就是我們英飛凌專注于開發后量子密碼學 [PQC] 的原因。”

物聯網安全（圖片：英飛凌科技）

大規模 QKD 技術已經在多個國家進行了測試，可為關鍵基礎設施提供安全的量子保護。

今天，密碼學被用于汽車和工業控制設備的許多應用中。這旨在防止可能破壞安全系統并嚴重危及獨立駕駛和生產設備的惡意軟件的轉移。

橢圓曲線加密等傳統加密工具對于當今的計算機來說是堅不可摧的。然而，隨著量子計算機發展的不斷進步，許多加密算法可能在不久的將來變得無效。

項目
Aquorypt 項目將研究嵌入式系統的量子安全加密方法的適用性和實際實施。項目團隊評估具有足夠安全級別的程序，并在硬件和軟件中有效地實施它們。結果可用于保護具有較長使用壽命的工業控制系統。

在 Aquorypt 研究項目中，慕尼黑工業大學（TUM）將與研究人員和工業伙伴合作，為量子計算時代開發新的保護措施。

“該項目將首先評估幾個新協議，并檢查新協議是否適合用例；即工業控制和芯片卡，”Poeppelmann 說。“構建安全系統的最佳方式始終是適當的軟件和硬件方法的結合。但是，如果底層硬件不安全，則無法實現某些安全目標。有些錯誤不能僅靠軟件來修復。”

另一個項目 PQC4MED 專注于醫療產品中的嵌入式系統。相關的硬件和軟件必須允許交換加密程序以對抗外部威脅。該解決方案將在醫療技術領域的用例中進行測試。

“在醫療保健應用中，數據隱私和數據安全尤為重要，”Poeppelmann 說。“此外，這些設備已經在該領域使用了很長時間，因此需要更新軟件以符合最新法規。因此，首先了解醫療保健設備供應商如何應對使用量子計算機的攻擊造成的威脅非常重要。其次，[重要] 研究他們如何實施軟件更新和軟件管理機制，以在其超過 20 年的生命周期內[保護] 設備。如果更新機制的安全性低，攻擊者總是會走阻力最小的路徑，攻擊這個組件。”

英飛凌正致力于該領域的 New Hope 和 SPHINCS+ 量子安全密碼方案的開發和標準化。New Hope 是一種基于 Ring-Learning-with-Errors（Ring-LWE，或 RLWE）問題的密鑰交換協議。

Ring-LWE 旨在防止對量子計算機進行密碼分析，并為同態加密提供基礎。基于 RLWE 的密碼學的一個關鍵優勢在于公鑰和私鑰的大小。

SPHINCS+ 是一種基于保守安全假設的無狀態散列簽名方案。

谷歌的量子計算機

結論
對工業工廠的網絡攻擊可能導致生產過程知識被盜或篡改工廠，從而降低生產效率。隨著時間的推移，電子系統將變得越來越網絡化，信息安全將發揮關鍵作用。

“至于安全性，后量子密碼學現在主要需要標準和意識，”Poeppelmann 說。“標準需要授予不同系統的互操作性；例如，與云系統通信的 IoT 設備。另一方面，設備制造商應該意識到量子計算機可能會對其解決方案的安全性構成真正威脅。他們應該[盡可能]正確地評估未來的風險，并盡早實施適當的安全措施。”

除了安全性之外，確定加密算法是否可以在給定應用環境中使用的第二個因素是其效率。性能不僅考慮了處理速度，還考慮了內存需求：密鑰大小、數據擴展速度、簽名大小等。例如，基于更多結構化數學問題的方案往往會減少密鑰。

“量子計算機或量子傳感器等量子技術對市場采用有不同的要求，”Poeppelmann 說。“為了采用量子計算機，我們需要一臺真正能夠證明對現實世界任務（例如化學分析、人工智能等）比目前使用的云方法有好處的計算機。一般來說，提高認識以促進市場對抗量子密碼學的采用很重要。威脅是真實存在的，但有了 PQC，我們就有了可用的遷移路徑。”

提高加密強度仍然是許多 IT 安全專家的目標。隨著計算機變得更加智能和快速，代碼變得更容易解碼，更迫切需要更先進的加密機制。

審核編輯 黃昊宇