在當(dāng)今數(shù)字化深度融入工作與生活的背景下，現(xiàn)代公鑰密碼構(gòu)筑起守護(hù)日常溝通、金融交易及商業(yè)安全的堅(jiān)固防線。然而，隨著量子計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是密碼分析相關(guān)量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)的信任錨和安全通信體系將面臨崩潰風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅著從個(gè)人數(shù)據(jù)安全到國家戰(zhàn)略安全的各個(gè)領(lǐng)域。因此，如何在量子時(shí)代確保大型網(wǎng)絡(luò)安全的持續(xù)發(fā)展，并在量子計(jì)算的沖擊下穩(wěn)固并重建安全體系，成為各國政府、企業(yè)及每位數(shù)字生活參與者亟須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。
現(xiàn)代公鑰密碼學(xué)：大型網(wǎng)絡(luò)的信任基石
20世紀(jì)70年代中葉，斯坦福大學(xué)的迪菲和赫爾曼通過提出Diffie-Hellman密鑰交換協(xié)議，為公鑰密碼學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。公鑰密碼學(xué)的問世巧妙解決了大型網(wǎng)絡(luò)中的信任難題與高效安全通信的挑戰(zhàn)。它摒棄了傳統(tǒng)對(duì)稱密碼學(xué)需雙方共享唯一密鑰的局限，而是采用公鑰與私鑰的配對(duì)機(jī)制：公鑰公開用于驗(yàn)證，私鑰則嚴(yán)格保密，專用于簽名和解密。隨后，美國麻省理工學(xué)院的里夫斯特、沙米爾和阿德曼提出了第一個(gè)比較完善和實(shí)用的公鑰加密算法和簽名方案——RSA算法，首次展示了依托復(fù)雜數(shù)學(xué)難題（如大整數(shù)分解）實(shí)現(xiàn)密碼算法創(chuàng)新與突破的可能性。此機(jī)制下的簽名系統(tǒng)，為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建了用戶間的可靠信任機(jī)制，允許每個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與者生成獨(dú)特的密鑰對(duì)，通過私鑰簽名信息，并利用公鑰進(jìn)行驗(yàn)證。這種基于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的強(qiáng)綁定簽名，不僅能有效防止信息被篡改而且能確保簽名的不可抵賴性，為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)空間提供了證明自己唯一身份的電子簽名，為互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)空間構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的信任根、信任錨。
在實(shí)際應(yīng)用中，公鑰密碼學(xué)極大地簡(jiǎn)化了密鑰管理流程。傳統(tǒng)對(duì)稱密碼學(xué)需預(yù)先在通信雙方間交換密鑰，導(dǎo)致頻繁進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)密鑰交換的繁瑣與成本高昂，而公鑰密碼學(xué)允許用戶通過公開的公鑰加密通信密鑰，接收方則用私鑰解密，整個(gè)過程通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議自動(dòng)化完成，無需人工干預(yù)，降低了成本并提升了效率。例如，微軟通過私鑰簽名軟件更新，全球用戶利用公鑰驗(yàn)證，確保了軟件的真實(shí)性與安全性；中國電子證書體系也廣泛采用公鑰簽名技術(shù)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)交易與信息傳遞的可信度。
因此，公鑰密碼學(xué)不僅是當(dāng)今大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的安全基石，也是全球網(wǎng)絡(luò)空間不斷演進(jìn)的信任根。沒有公鑰密碼學(xué)的支撐，就不可能有安全高效的大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信。
量子革命下的密碼學(xué)：抗量子公鑰密碼的崛起
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代公鑰密碼技術(shù)正面臨量子計(jì)算機(jī)的嚴(yán)重威脅。這一由美國加州理工學(xué)院著名的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼于1981年提出的量子計(jì)算機(jī)概念，旨在利用量子物理原理與基本粒子等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)算，模擬微觀量子物理世界。然而，由于技術(shù)門檻極高，涉及全新體系架構(gòu)、嚴(yán)苛的量子調(diào)控要求及巨額投資，加之早期對(duì)其潛在應(yīng)用認(rèn)知的局限，該技術(shù)初期并未獲得廣泛關(guān)注。
直到20世紀(jì)90年代中葉，量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破，特別是麻省理工學(xué)院的彼得·舒爾在1994年發(fā)明的Shor算法，能高效分解大整數(shù)，直接威脅到基于整數(shù)分解難度的現(xiàn)代公鑰密碼體系。這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著，一旦能夠運(yùn)行Shor算法的大型量子計(jì)算機(jī)被研發(fā)出來，現(xiàn)有的公鑰密碼算法將失去效用，互聯(lián)網(wǎng)的信任與安全通信體系將面臨瓦解，全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也將因此全面崩潰，后果不堪設(shè)想。
盡管全球科技強(qiáng)國在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)上投入巨大，但真正對(duì)現(xiàn)代公鑰密碼產(chǎn)生巨大威脅的是一種與圖靈當(dāng)年研發(fā)的密碼破譯機(jī)功能類似的新型量子計(jì)算機(jī)，美歐稱其為密碼分析相關(guān)量子計(jì)算機(jī)。一旦有國家成功研發(fā)密碼分析相關(guān)量子計(jì)算機(jī)，它將能在大型計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中冒充各種身份進(jìn)行竊密，對(duì)現(xiàn)代公鑰密碼體系構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。因此，各國政府對(duì)密碼分析相關(guān)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)進(jìn)展保持高度保密。
事實(shí)上，不少國家正采用“先收集，再破譯”策略，收集海量公鑰加密數(shù)據(jù)包，以待未來用密碼分析相關(guān)量子計(jì)算機(jī)破解這些數(shù)據(jù)。這一局勢(shì)凸顯了全球網(wǎng)絡(luò)安全新挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)抗量子密碼技術(shù)研發(fā)的重要性和緊迫性。2000年，美國IBM實(shí)驗(yàn)室的艾薩克·莊首次搭建了一臺(tái)擁有7個(gè)物理量子比特的計(jì)算機(jī)運(yùn)行Shor算法，成功將15分解為質(zhì)數(shù)3和5，證明其不僅理論正確且實(shí)際可行，預(yù)示量子計(jì)算機(jī)威脅迫近。這一實(shí)驗(yàn)促使不少具有遠(yuǎn)見卓識(shí)的研究者開始涉足這一全新研究領(lǐng)域，探索新數(shù)學(xué)難題，構(gòu)建能抵御未來量子攻擊的新型公鑰密碼——抗量子密碼（PQC），為全球網(wǎng)絡(luò)安全筑起新防線。
抗量子密碼遷移與標(biāo)準(zhǔn)化：保障未來互聯(lián)網(wǎng)安全的新防線
彼得·舒爾和艾薩克·莊的開創(chuàng)性工作加速了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，促使全球密碼學(xué)、產(chǎn)業(yè)界及標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)提前布局應(yīng)對(duì)策略。2006年，首次國際PQC會(huì)議在比利時(shí)召開，標(biāo)志著抗量子計(jì)算的新一代公鑰密碼研發(fā)正式啟動(dòng)。2012年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院?jiǎn)?dòng)PQC項(xiàng)目工作組。2015年，美國國家安全局公開宣布將更換現(xiàn)有公鑰密碼系統(tǒng)為抗量子版本。2016年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院?jiǎn)?dòng)全球PQC算法征集，并于2022年7月公布了首批標(biāo)準(zhǔn)化算法名單。同時(shí)，美國白宮在2022年發(fā)布第10號(hào)國家安全備忘錄《關(guān)于促進(jìn)美國在量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，同時(shí)降低易受攻擊的密碼系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的國家安全備忘錄》，要求各類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用抗量子密碼保護(hù)；緊接著，美國國會(huì)也通過法案，要求全美計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開始進(jìn)行抗量子密碼遷移工作，預(yù)計(jì)2035年達(dá)到抗量子計(jì)算威脅的安全狀態(tài)。對(duì)于全球互聯(lián)網(wǎng)，抗量子密碼遷移能在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，以最小代價(jià)更新公鑰密碼系統(tǒng)，也能確?；ヂ?lián)網(wǎng)能夠繼續(xù)擁有或重建抵御量子計(jì)算機(jī)攻擊的信任機(jī)制及安全的通信體系。因此，抗量子密碼遷移是確保當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在。
需要強(qiáng)調(diào)的是，抗量子密碼的安全性基石牢固建立在全球密碼學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛認(rèn)可的公開數(shù)學(xué)難題之上。與各國在高度敏感信息系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)密碼技術(shù)不同，抗量子密碼作為商用密碼，在保障數(shù)字經(jīng)濟(jì)安全方面扮演著十分重要的角色。尤為關(guān)鍵的是，抗量子密碼為現(xiàn)有的大型計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，涵蓋金融、通信、能源、電力、交通等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以及未來蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等，提供了獨(dú)一無二且無可替代的身份認(rèn)證機(jī)制，從而確立了其在全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代作為信任根與信任錨的堅(jiān)實(shí)地位。鑒于抗量子密碼的商用性質(zhì)，世界各國對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程及后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化效應(yīng)給予了高度重視。其中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院今年8月正式公布了全球第一個(gè)抗量子密碼標(biāo)準(zhǔn)，正深刻塑造著全球密碼標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)布局的未來。值得注意的是，抗量子密碼算法標(biāo)準(zhǔn)雖由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院選定，但其研發(fā)力量卻遍布全球各國學(xué)界、工業(yè)界及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，共同推動(dòng)抗量子密碼技術(shù)的發(fā)展。
隨著世界各國抗量子公鑰密碼標(biāo)準(zhǔn)化工作的開展，一個(gè)重要的工程領(lǐng)域展現(xiàn)在世人面前，即全球網(wǎng)絡(luò)空間將面臨安全信任根（即抗量子公鑰密碼）的替換，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)空間安全的大遷移。這種大遷移體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
首先，互聯(lián)網(wǎng)及大型計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的信任根替換，遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單替換易受量子計(jì)算機(jī)攻擊的公鑰密碼模塊，而是一項(xiàng)緊迫且漫長(zhǎng)、復(fù)雜的工程化工作。自20世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)興起以來，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已高度集成，涵蓋軟硬件設(shè)備及通信協(xié)議。作為互聯(lián)網(wǎng)的信任錨、信任根，現(xiàn)代公鑰密碼早已深深嵌入其中。加之全球IT產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)滄桑，企業(yè)興衰更替，為信任根的更換增添了額外難度。然而，抗量子密碼遷移這個(gè)千載難逢的歷史機(jī)遇，也預(yù)示著網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌漠a(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈和市場(chǎng)機(jī)遇。
其次，世界各國對(duì)重要信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施信任根的更換策略各異，但均給予高度重視。美國、英國、加拿大等國傾向于迅速且全面地替換，以確保國家安全計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)免受量子計(jì)算機(jī)威脅。而歐盟則傾向于采用混合模式，即在保持現(xiàn)有公鑰密碼系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，引入抗量子密碼系統(tǒng)，以平穩(wěn)過渡到PQC時(shí)代。此舉旨在在量子計(jì)算機(jī)真正威脅到現(xiàn)有系統(tǒng)之前，為大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供雙重保障，并在必要時(shí)無縫切換至抗量子密碼系統(tǒng)。
最后，盡管量子計(jì)算機(jī)尚未公開破解現(xiàn)有公鑰密碼，但全球IT強(qiáng)國已前瞻性地布局后量子安全時(shí)代。這將導(dǎo)致未來全球網(wǎng)絡(luò)空間安全迎來巨變，不僅涉及抗量子密碼技術(shù)本身，還將逐步波及到網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)備、安全技術(shù)研發(fā)、國際標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)及網(wǎng)絡(luò)安全市場(chǎng)的未來格局。
總之，抗量子密碼技術(shù)的革新與產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的發(fā)展，正推動(dòng)全球網(wǎng)絡(luò)空間邁向新的安全紀(jì)元。這場(chǎng)大遷移大變局的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)遠(yuǎn)超“千年蟲”問題。面對(duì)量子安全挑戰(zhàn)，任何國家都無法獨(dú)善其身，需攜手合作，共同構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)空間的安全防線。
（作者分別系清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心教授，重慶大學(xué)大數(shù)據(jù)與軟件學(xué)院教授）
