密码学是编写或解决代码的艺术，在保护数据隐私和实现安全通信方面发挥著基础作用。然而，量子计算引发了信息安全领域的重大范式转变，特别是在密码学方面。 

本指南讨论了量子计算时代围绕密码学正在进行的争论、其对区块链安全的影响以及研究人员提出的各种对策。

计算机密码学简介

作为保护用户隐私和保密的基石，密码学已成为数字时代确保系统保护的重要工具。本质上，它涉及使用一系列密钥转换常规文本 - 这一过程称为加密。除非您有解码机制或唯一密钥，否则生成的文本或加密文本将无法读取。因此，只有密钥持有者才能将消息解码回清晰易懂的文本。

密码学是一门依靠数学原理来隐藏和揭示数据的科学。区块链数字货币开发密码系统是一组用于将常规文本转换为加密文本的数学过程，对于敏感数据（例如信用卡详细信息、公司信息）的保护和安全传输至关重要，尤其是在互联网等不安全网络上。

与此同时，另一种专注于在密钥不可用时分析和破解编码消息的科学——密码分析已经出现。然而，现代密码方法实际上是无敌的。

密码系统的稳健性是通过揭示使用密钥转换的原始文本所需的时间和资源来衡量的（有时，系统的强度与其最薄弱的环节一样强）。强大的密码系统会产生密文（或密码），如果没有正确的解密工具，则很难对其进行解码。

但这有多难呢？儘管有当前的计算能力和可用时间——即使我们使用十亿台计算机每秒执行十亿次检查——在宇宙终结之前也不可能解码强大的密码学的结果。换句话说，成功的密码分析几乎是不可能的。这种强大的加密通过保护信用卡交易和敏感记录在预防犯罪方面发挥著重要作用。截至目前，没有证据表明当今最强大的密码学将屈服于未来的计算能力。

今天的密码学在未来会过时吗？

量子计算的发展是计算机科学的一次巨大飞跃，有望以以前认为难以想像的方式彻底改变计算。然而，这一进步也对构成现代通信和数据交换基石的加密算法的安全构成了重大威胁。因此，专家们开始对量子计算对区块链安全的潜在影响表示担忧。

美国国家标准与技术研究所 (NIST) 警告说，我们当前的密码系统将在大约二十年之内过时，并且容易受到量子计算机的攻击。这是一个很大的挑战。因此，现在就开始彻底改革现有的密码系统至关重要，因为选择、标准化和实施新算法的过程将花费大致相同的时间（大约 20 年）。

全球主要计算机公司多年来一直致力于开发量子计算机。一旦完全开发出来，这些机器在许多方面都将比当今的超级计算机快得多。最近，这一发展取得了惊人的进展。

2013年，谷歌推出了量子计算机D-wave，据称其性能比传统PC高出1亿倍。本月，IBM 通过 IBM Cloud 向公众开放了其新型量子处理器。而这仅仅是个开始。

以RSA密码学为例。RSA 是一种广泛使用的安全数据传输系统，为互联网浏览器和数字签名软件等产品奠定了基础。它生成一组公共和私人代码或密钥。当您上网或对文档进行数字签名时，该过程会在幕后运行。RSA 私钥是秘密保存的，由算法生成的两个大素数组成。然后使用这两个数字与指数一起通过另一种算法生成公钥。任何人都可以使用公钥加密信息，但只有私钥才能解密。

该加密方法取决于这样一个事实：将公钥中的大整数分解来确定私钥的两个素数是极其耗时且计算量巨大的。儘管如此，由数学家、加州理工学院毕业生 Peter Shor（BS '81）于 1994 年提出的 Shor 算法说明了量子计算机如何有效地分解极大的数字。因此，Shor 的算法可能会破坏 RSA 加密技术。

儘管量子计算取得了技术里程碑，但这些发展需要安全系统同样重大的飞跃。正如 NIST 所指出的，这两个发展是密不可分的。

考虑到这一点，NIST 正在开发新的加密策略，以跟上这个新时代的步伐并抵抗量子计算机的力量。

他们发起了鼓励利益相关者参与设计新加密方法的计划，并举办了类似于开发 SHA-3 哈希算法的竞赛。

研究人员如何解决这个问题？

密码学是区块链安全的支柱，有助于生成防篡改的数字签名，用于验证交易并维护区块鍊网络的完整性。然而，区块鍊网络目前使用的加密算法，例如 SHA-256 和 ECDSA，很容易受到量子计算机攻击。

量子计算机基于量子力学原理运行，使其能够比传统计算机以指数速度更快地执行某些计算。这种速度优势意味著量子计算机可以在几秒或几分钟内破解区块鍊网络使用的加密算法，从而使其不安全。

量子计算对区块链安全的一项重大影响是可能发生 51% 攻击。在区块鍊网络中，当单个实体获得超过 50% 的网络计算能力的控制权时，就会发生 51% 攻击。这种控制使实体能够通过创建欺诈交易或逆转合法交易来操纵区块链。有了量子计算，实体就可以更简单地获得网络的大部分计算能力，从而更有可能发生 51% 攻击。

为了应对量子计算对区块链安全的潜在影响，研究人员正在研究抵抗量子计算机攻击的新密码算法。这些新算法被称为后量子密码学，使用的数学问题被认为是量子计算机难以解决的。儘管后量子密码学承诺区块鍊网络的长期安全，但它仍处于起步阶段，需要进一步研究。

另一种解决方案是使用抗量子区块链。这些区块链专门设计用于抵御量子计算机攻击，採用后量子密码学和其他技术来确保其安全性。儘管仍处于实验阶段，但抗量子区块链为应对量子计算带来的挑战提供了一种有前途的长期解决方案。

密码学和加密的未来是什么？

量子信息科学利用量子力学特性来开发新技术，有可能重塑我们对加密的看法。

后量子密码学，也称为量子证明密码学，正在努力开发不受未来量子计算机上运行的算法或计算影响的加密方法。

一旦量子计算机成为​​现实，我们今天使用的加密方法可能不再安全。

因此，我们很可能会过渡到建立在量子计算机无法有效解决的问题基础上的新的公钥密码系统。识别此类问题是数学和密码学研究的一个活跃领域。

量子密码学怎么样？

量子密码学可以作为传统密码学的实用替代方案。由于量子计算的出现，它为传统密码系统中暴露的漏洞提供了一种有前景的解决方案。它利用量子力学的独特特性，为安全通信的新时代奠定了基础。

量子密钥分发 (QKD) 是量子密码学最有前途的应用，它举例说明瞭如何利用量子原理来创建本质上安全的通信通道。QKD 涉及使用光子（光的基本粒子）来生成和分发密钥。 

由于量子力学规定测量量子数据的行为不可避免地会改变它，因此在传输阶段任何窃听或拦截的尝试都会立即引起注意，从而确保通信的机密性。

与传统密码技术形成鲜明对比的是，传统密码技术的安全性很大程度上依赖于数学问题的複杂性（这可能会被量子计算机破坏），而量子密码技术的安全性是由物理定律保证的。任何计算能力或先进算法都不能违反这些原则，使得量子密码学似乎不受量子计算带来的威胁的影响。

从本质上讲，量子密码学可以确保加密的消息在不通知合法方的情况下不会被拦截，从而提供无与伦比的安全性。然而，与任何新兴技术一样，量子密码学仍处于起步阶段，并面临著一系列挑战，例如维持量子态的技术要求以及实际实施中的潜在漏洞。

尽管存在这些障碍，实现从根本上安全通信的承诺正在推动这一领域的重大进步，突破安全通信领域可能的界限。

因此，量子密码学以其独特的原理和固有的安全特性，为克服量子计算与传统密码学交叉带来的挑战提供了一条令人兴奋的途径。它的开发和採用可能会重新定义在量子时代如何理解和实施安全通信，成为面对量子威胁的强大盾牌。

结论

在数据已成为一种新形式的货币的时代，保持其完整性和安全性至关重要。儘管量子计算有可能彻底改变许多领域，但它对现有的密码学系统构成了严重威胁。由于传统的加密方法容易受到量子计算能力的影响，因此设计抗量子算法或加密方法的竞赛已经开始。 

利用量子力学定律的量子密码学可能提供一种可行的替代方案。儘管仍处于早期阶段，但它承诺建立一个安全通信真正坚不可摧的世界。在这个量子时代，不仅要快速进步，还要在确保数据安全的同时可持续发展。

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