后量子密码学 （PQC）是一类密码方法，旨在保护数字信息免受具备足够能力的量子计算机攻击者的威胁。虽然目前尚无大规模的量子计算机能够破解广泛使用的公钥密码学，但各组织正在做准备，因为替换密码系统可能需要数年时间。
什么是后量子密码学？
现代互联网安全在很大程度上依赖公钥算法进行安全密钥交换、数字签名、身份验证和证书。RSA和椭圆曲线密码学等算法基于传统计算机难以高效解决的数学问题。
一台具备足够强大且容错的量子计算机可以利用量子算法更快地解决其中一些问题。后量子密码学旨在提供可在常规计算机上运行并抵御已知量子攻击的算法。
为什么后量子密码学很重要？
这个过渡很重要，因为密码基础设施深深嵌入在软件、硬件、证书、协议、操作系统、云服务、身份系统和连接设备中。
还有一种长期风险称为 现在收集，未来解密攻击者可以今天收集加密通信，并在将来尝试解密它们，前提是出现了一台具备足够能力的量子计算机。需要在多年内保持机密的信息因此可能需要在量子威胁变得切实可行之前就进行保护。
量子计算如何影响密码学
量子计算并不是破坏每一个密码算法。它最重要的已知影响是对某些公钥系统。Shor算法提供了一种理论上的方法，使具备足够能力的量子计算机能够对大整数进行因式分解并解决离散对数问题，这些问题支撑着几种广泛使用的公钥方案。
对称密码学的影响则不同。Grover算法可以为搜索可能性空间提供理论上的加速，这意味着适当的密钥大小和安全边际仍然重要。
后量子密码学与量子密码学的区别
| 科技 | 基本方法 | 典型目标 |
|---|---|---|
| 后量子密码学 | 使用旨在抵御量子攻击的数学算法 | 保护现有数字系统免受未来量子威胁 |
| 量子密钥分发 | 利用量子物理特性分发密钥 | 检测密钥分发过程中的某些拦截尝试 |
| 经典密码学 | 使用成熟的数学算法 | 保护信息免受传统计算威胁 |
哪些算法正在被标准化？
NIST在2024年发布了其前三个已最终确定的后量子密码学标准：FIPS 203、FIPS 204和FIPS 205。
ML-KEM
FIPS 203指定ML-KEM，这是一种旨在通过潜在暴露的网络建立共享秘密的密钥封装机制。
ML-DSA
FIPS 204指定ML-DSA，这是一种基于格数学的后量子数字签名标准。
SLH-DSA
FIPS 205指定SLH-DSA，这是一种无状态的基于哈希的数字签名标准，为签名提供了不同的数学基础。
后量子密码学的好处
- 旨在抵御已知的量子攻击。
- 可以在传统计算基础设施上运行。
- 帮助保护具有长期保密要求的信息。
- 鼓励组织清点和现代化加密依赖。
- 提供多种标准化方法以满足不同的安全需求。
量子安全过渡的挑战
转向后量子密码学并不仅仅是安装一个新的加密包。组织首先需要了解加密的使用位置以及哪些系统依赖于特定算法。
PQC算法与现有算法相比，可能具有不同的计算、内存、带宽、密钥大小或签名大小特性。这些差异可能会影响应用程序、网络协议、证书、嵌入式设备和高容量系统。
遗留设备带来了另一个挑战。一些设备可能难以更新，形成需要尽早识别的长期加密依赖。
什么是密码灵活性？
加密灵活性 是系统在不重设计整个应用程序或基础设施的情况下，替换或更改密码算法的能力。这对量子准备至关重要，因为组织可能需要随着标准和威胁评估的变化而更改算法。
组织如何进行准备
- 建立加密库存。
- 识别必须在多年内保持受保护的敏感信息。
- 绘制依赖当前加密的应用程序、供应商、协议、设备、云服务和库的映射。
- 优先考虑具有敏感数据、长期生命周期或难以升级的系统。
- 在真实环境中测试标准化的PQC算法。
- 提高加密灵活性。
- 与供应商协调量子安全迁移计划。
云计算中的后量子密码学
云环境在多个层面上包含加密，包括传输安全、身份、存储、应用、API、证书和密钥管理。因此，组织需要同时考虑自己的应用程序和云供应商提供的加密能力。
后量子密码学与人工智能
AI系统也依赖于加密基础设施。API、模型库、云平台、认证系统、数据管道和连接设备都可以使用加密。因此，量子准备也适用于AI基础设施和传统应用程序。
专家建议
- 从发现开始，而不是立即替换算法。
- 在规划迁移时使用当前的NIST标准和权威指导。
- 优先考虑长期保密期的信息。
- 在类似生产的硬件和协议上测试性能。
- 在您的加密库存中包括第三方软件和硬件。
- 设计具备算法灵活性的新系统。
应避免的常见错误
- 在大规模量子计算机出现之前不要计划。
- 假设每种密码算法都同样容易受到量子计算的攻击。
- 在不映射密码依赖关系的情况下替换算法。
- 忽视遗留设备和嵌入式系统。
- 忽视第三方依赖。
- 混淆后量子密码学与量子密钥分发。
常见问题解答
用简单的术语解释后量子密码学是什么？
它是一种旨在保护数字系统免受传统计算机和能够足够应对的未来量子计算机攻击的密码学。
为什么量子计算会威胁到加密？
某些量子算法可以有效地解决某些广泛使用的公钥密码系统所依据的数学问题。
后量子密码学现在可用吗？
是的。NIST在2024年最终确定了其首个三项后量子密码学标准，包括ML-KEM、ML-DSA和SLH-DSA。
ML-KEM用于什么？
ML-KEM是一种标准化的密钥封装机制，旨在在面对能够进行量子攻击的攻击者时安全地建立共享秘密。
ML-DSA用于什么？
ML-DSA是一种标准化的后量子数字签名算法，支持认证和完整性验证。
什么是先收集，后解密？
它描述了今天收集加密信息的意图，以便在更强大的技术可用时尝试解密。
企业需要立即迁移吗？
组织应该评估他们的风险暴露和迁移时间表，特别是在处理具有长期保密要求或运营长周期更换系统的敏感信息时。
后量子密码学和量子密码学是一样的吗？
不。后量子密码学使用旨在抵抗量子攻击的数学算法，而量子密码学则利用量子物理特性实现特定的安全功能。
结论
后量子密码学正成为长期网络安全规划中的重要部分。组织可以通过了解其密码依赖关系、保护长期敏感信息、测试标准化算法和建立密码灵活性，来降低未来风险。
过渡将需要时间，因为密码学嵌入在应用程序、基础设施、设备、协议和第三方服务中。从清单和风险评估开始，为技术团队朝着抗量子安全的方向提供实际基础。
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