量子就绪数据安全：超越二进制框架的信息保护

摘要

在量子计算快速发展的背景下，革命性的处理能力潜力也给网络安全带来了重大挑战。本白皮书概述了量子计算及其对数据安全构成的风险，研究了帮助企业测试和采用量子安全密码学的新兴解决方案，包括用于实验的基于云的量子服务。我们提供了一个详细框架，说明企业如何通过列出使用情况、评估风险、测试新协议和制定迁移策略来变得"量子就绪"。通过使用云平台进行认真准备，企业可以在变革性量子能力时代确保其长期安全。

量子计算的指数级能力

经典计算机以离散的0和1状态处理二进制位信息。量子计算利用量子位（qubit），可以同时存在于0和1的叠加状态。这种特性，加上量子纠缠和并行性，将使量子计算机能够解决复杂问题并执行远超传统系统的计算。

虽然完全实现的大规模量子计算仍需数年时间，但近年来的进步速度令人震惊。IBM、Google、Honeywell和Microsoft等技术巨头在开发量子硬件和系统方面正在快速进步。Rigetti、IonQ和D-Wave等小型初创公司也在推动量子能力的边界。

全球量子计算市场预计将从2020年的5.07亿美元增长到2027年的超过650亿美元。（Allied Market Research）

全球科技公司对量子计算的投资

下表展示了主要量子参与者的量子位数量每年翻倍：

表1：供应商量子位数的指数增长 *来源：IBM、Google、Microsoft、AWS、Rigetti、IonQ

量子威胁对数据加密的影响

现代数据安全广泛依赖密码学来保护机密性和建立信任。由于Shor算法，广泛使用的公钥算法（包括RSA、ECC、Diffie-Hellman和DSA）容易被量子计算机破解。

• 55%的组织在算法变得易受攻击之前没有升级后量子密码学的计划。（Thales）
• 63%的医疗组织在过去2年中经历了量子易受攻击的数据泄露。（PwC）
• 81%的金融服务公司表示量子计算可能对其网络安全模型产生高度破坏性影响。（Fitch Solutions）

这将使具备量子能力的对手能够：

• 解密由公钥加密保护的任何数据，包括历史通信和存储数据
• 冒充受公钥数字证书保护的用户和设备
• 破坏支撑在线安全的公钥基础设施（PKI）系统

这将影响以下行业：

• 医疗保健：医疗记录、临床数据、患者信息
• 金融：交易、投资、账户凭证
• 政府：机密通信、情报数据

过渡到抵抗量子攻击的后量子密码学很快将成为当务之急。

后量子密码算法

抵抗量子计算的密码算法研究正在推进：

a. 基于哈希的密码学

像SPHINCS+这样的方案利用密码哈希函数而不是数学问题。基于哈希的签名在传统系统上是无状态且高效的。

b. 多元密码学

像Rainbow这样的方案利用有限域上的多元多项式方程组，这对量子算法来说变得难以处理。这些后量子协议构成了将系统安全带入量子时代的基础。

c. 基于编码的密码学

基于纠错码，像Classic McEliece这样的算法提供了相对高效和保守的安全保证。但是，密钥和密文大小通常较大。

d. 基于格的密码学

像Crystals-Kyber和Falcon这样的算法依赖于格数学结构。Kyber是一种加密和密钥交换协议，而Falcon提供数字签名。

量子安全云平台

领先的云提供商提供量子安全技术的早期访问：

1. Amazon Braket

亚马逊的量子计算服务提供了一个硬件无关的开发人员工具包（Braket SDK）和访问Rigetti、IonQ和D-Wave的量子硬件。

2. Azure Quantum

Microsoft Azure Quantum允许开发人员开始使用Q#量子编程语言。它提供量子算法库和量子安全密码学工具。

3. IBM Quantum Experience

IBM Quantum Experience使用户能够访问真实的量子硬件和模拟器，使用IBM的开源量子开发工具包Qiskit运行实验。

这些云平台使企业能够探索、测试和准备即将到来的量子颠覆。

这些风险延伸到企业系统、云平台、连接设备和在线数字交易。虽然像AES这样的对称密码学被认为是量子安全的，但弱公钥机制的普遍使用可能是毁灭性的。在整个企业IT基础设施、云环境和连接系统中过渡到抵抗量子攻击的后量子密码学（PQC）算法很快将成为强制性要求。每个依赖易受攻击的公钥加密的应用程序和协议都需要评估和升级。

基于云的量子安全解决方案

幸运的是，针对新的量子安全密码算法和抵抗量子计算机密码分析的协议已经进行了深入研究。云平台正在使一些后量子技术可供实验：

量子计算访问： 像Amazon Braket、Azure Quantum和IBM Quantum Experience这样的服务提供访问真实的量子硬件和模拟器来运行算法。这些允许开发人员和研究人员获得实践量子经验。

量子安全密码库： Microsoft的Azure Quantum SDK、Amazon的Quantum Solutions Lab和IBM的QISKit提供带有后量子密码算法的软件库，以测试量子安全加密、签名和密钥交换。

量子密钥分发（QKD）： AWS和Azure正在积极研究量子密钥分发（QKD），以促进通信对称密钥的安全分发。这种能力确保即使在公共通道上也能实现完美安全的密钥交换。

量子安全证书： 像DigiCert Quantum Origin这样的服务生成用后量子密码学保护的数字证书，以未来验证数据的身份验证和加密。

这些类型的服务使企业能够开发技能、试点量子安全能力，并为即将到来的量子颠覆做好准备。

成为量子就绪的框架

对于企业来说，为后量子未来做准备的时间窗口正在迅速关闭。组织应开始评估其风险敞口，并使用以下框架制定迁移计划：

步骤1 - 清点密码使用情况

• 编目所有跨本地和云系统的加密实现
• 识别易受攻击的非对称算法的使用，如RSA、ECC、DH、DSA
• 对不同应用程序和数据类型的风险级别进行分类

步骤2 - 进行风险分析

• 评估每个应用程序现有密码学被量子破解的业务影响
• 根据潜在损害确定升级顺序
• 审查具有最高敏感度的系统，如支付处理或员工/客户PII

领先的后量子密码算法类型

步骤3 - 测试量子安全密码学

• 利用具有后量子密码库的云平台来试点量子安全实现
• 实验量子安全密钥交换、加密和签名协议
• 在测试期间评估性能影响

步骤4 - 遵循标准开发

• 监控NIST、IETF和ETSI关于后量子标准的指导
• 准备实施新的量子安全协议，如CRYSTALS-Kyber，随着标准的巩固

NIST后量子密码学标准时间表：

步骤5 - 制定迁移策略

• 制定密码路线图，系统地将易受攻击的系统过渡到符合行业标准的量子安全算法
• 优先保护最敏感的数据机制和高价值系统
• 为标准最终确定时企业范围的量子安全密码学升级预算

结论

量子计算代表了企业安全即将面临的最具颠覆性的变化之一。虽然全部影响仍需数年时间，但每个组织现在都需要开始其成为量子安全的旅程。通过利用基于云的量子技术和开发量子迁移策略，公司可以升级其数据保护以抵御新的量子威胁视野。建立量子就绪性很快将成为任何处理敏感数据的企业的先决条件。