量子物理如何让加密更加安全

随着量子计算的发展，计算能力将得到无法想象的快速增长，我们用以保护数据（和民主进程）的系统将变得岌岌可危。但我们还有时间，来规划如何应对即将到来的数据末日，这是加密专家维克拉姆·沙尔马的观点。他还讲述了如何用量子对抗量子：设计运用量子力学的安全设备和程序，来对抗那些最精准的攻击。

最近，我们见识到了
网络攻击对商业世界的影响。

像摩根大通、雅虎、家得宝和
塔吉特百货这些公司的数据泄露，

导致了数亿美元，

甚至数十亿美元的损失。

再来几次这样的攻击，
整个世界经济就会崩溃。

公共领域也不能幸免。

从2012到2014年，

美国人事管理办公室
发生了非常严重的数据泄露。

安全许可和指纹信息被窃取，

影响到2200万雇员。

你们也许还听说了，
某些政府资助的黑客，

试图用窃取的数据
影响一些国家的大选结果。

最近的两起，一起是德国联邦议院

大规模数据遭窃事件，

一起是美国民主党全国委员会
电子邮件遭窃事件。

网络威胁已经影响到
我们的民主进程。

而且有愈演愈烈的趋势。

计算机技术越发达，

我们用来保护数据的
手段就越脆弱。

尤其是一种新的计算机技术，

叫做量子计算机，

它利用自然界的微观粒子

来大幅增加计算机的运算能力。

它的运算能力强大到
可以破解我们今天所用的

许多加密系统。

那么我们是不是毫无希望了呢？

我们是不是该开始
收拾电子生存装备

来迎接即将到来的数据末日呢？

我认为，还没到那一步。

量子计算机还只是存在于实验室里，

离实际运用还需要数年的时间。

更重要的是，

加密领域已经出现了许多重大突破。

对我而言，这是安全通讯历史上

非常令人兴奋的时代。

大约15年前，

我了解到我们解锁了新的技能，

能制造出自然界
不存在的量子效应。

我非常兴奋。

利用物理学的基本定律

来推进加密技术发展，

这个想法让我激动不已。

今天，一些选定的公司
和实验室，包括我的在内，

将这项技术推进到了
实际应用的阶段。

没错。

我们打算用量子来对抗量子。

怎么来实现呢？

首先，我们来快速了解
一下加密的世界。

你需要一个公文包，

你有一些重要的文件
要送给你的好朋友，詹姆斯·邦德，

要锁起来，保证安全。

因为这些材料是最高机密，
我们要用一个超级先进的公文包。

它配有一把特殊的密码锁，

一旦锁上，

就会把文件的内容
转换为随机的数字。

因此你只要把文件放进去，锁上，

这个时候文件已经转换为
随机的数字了，

你把这个公文包送给詹姆斯。

公文包还没送到的时候，
你打电话告诉他密码。

一旦他拿到公文包，输入密码，

文件破译完成，简直完美，

你成功地把一份加密信息
传递给了詹姆斯·邦德。

（笑声）

一个好玩的例子，但是它
说明了加密的3个重点。

密码——我们称之为加密钥匙。

你可以把它想像成密码。

告诉詹姆斯密码的那通电话。

我们称之为秘钥传递。

这保证我们

能将秘钥安全的送到指定地点。

以及用来加密和解密文件的锁。

我们称之为加密算法。

通过秘钥，它将文件中的内容

转换为随机的数字。

一个好的算法能够做到这一点，

没有秘钥的话很难将密码破解。

算法的重要性就在于

如果有人得到了公文包，把它打开，

没有秘钥，不知道加密算法，

就无法读取文档里的内容。

得到的只是一些随机的数字。

大部分的安全系统
都依赖于安全的秘钥传递方式，

将秘钥传递到正确的地方。

然而，迅速增长的计算能力

危及到了我们目前所使用的
许多秘钥传递方式。

举一个例子，我们现在
应用非常广泛的系统——RSA。

它在1977年被发明出来的时候，

要花大约4千万亿年，

才能破解一个426位的RSA秘钥。

而到了1994年，
仅仅才过了17年，

这个密码就被破解了。

随着计算机性能越来越强，

我们需要的密码也越来越长。

现在我们经常会使用
2048或者4096位的密码。

如您所见，加密者和解密者
之间的战斗正在进行，

都想战胜对方。

今后10到15年，
量子计算机的到来，

将会更快地破解复杂的数学算法，

这些算法是今天
我们使用的加密系统的基础。

事实上，量子计算机
将把我们的安全城堡

变成一触即倒的纸牌屋。

我们要设法保护我们的城堡。

近几年出现了许多研究机构，

研究如何用量子效应来增强加密。

人们已经取得了一些
令人兴奋的突破。

还记得加密的3个重点吗？

高质量的秘钥，安全的秘钥传递
和很强的算法。

然而，科学和工程学的进步，

已经危及到了其中2个重点。

首当其冲的就是秘钥。

随机数字是构成秘钥的基础。

但到了今天，
它们不再是真正随机了。

目前，我们生成秘钥，

是根据随机数字频率，
靠软件生成的，

我们称之为伪随机数字。

程序或者数学方法生成的数字，

总会有一些，也许并不
那么明显的规律在里面。

这些数字的随机性越低，

或者用术语来讲，
包含的墒越低，

它们就越容易被预测到。

最近，有些赌场就被攻击了，
攻击的方式很有创意。

他们对准老虎机拍摄一段时间，

然后进行分析。

网络罪犯们

利用逆向工程，制造出转盘背后的

伪随机数字生成器。

这样一来他们就有很大几率
预测到转盘的转动，

从而赚到大笔金钱。

秘钥也同样不安全。

拥有一个真正的随机数字生成器
对于生成安全的密码而言很重要。

数年来，研究者们一直在努力制造
真正的随机数字生成器。

但大部分的设计，要么不够随机，

要么不够快，要么很难重复使用。

但是量子的世界是真正随机的。

利用这种真正的随机性非常重要。

能够测量量子效应的装置

可以非常快速地生成
连续不断的随机数字流。

刚刚说的赌场犯罪再无上演可能。

来自世界各地的数所大学和公司

在集中精力制造
真正的随机数字生成器。

在我的公司，我们的
量子随机数字生成器

诞生于一张2米长1米宽的光学桌。

之后我们把它缩小到一个盒子大小。

到今天，已经可以把它装到一张PCI卡上，
插到一台普通的计算机上。

这是世界上速度最快的，
真正随机的数字生成器。

它通过测量量子效应，
每秒可以生成10亿个随机数字。

今天已经被广泛用于世界各地，

来提升云服务提供商、
银行和政府机构的

安全性。

（掌声）

但是，即便有了真正的
随机数字生成器，

我们还面临
第2个大的网络安全威胁：

那就是秘钥的安全传递问题。

目前的秘钥传输技术
无法对抗量子计算机。

而针对这一问题的量子解决方案，

叫做量子秘钥分发，简称QKD，

它利用了量子力学一个基础的

违反直觉的特性。

观察微观粒子这个行为，
会改变这个粒子。

我举个例子来说明。

我们再来回想一下，
要把密码交给詹姆斯·邦德。

不过这一次，我们不给他打电话，

我们利用量子效应，
用一束激光携带这个密码，

通过普通的光纤传递给詹姆斯。

我们假设诺博士想拿到这个密码。

幸运的是，诺博士在尝试拦截
这个量子秘钥的过程中

会留下电子指纹，
詹姆斯和你都能察觉到。

这样被拦截的秘钥就会作废。

而留下来的秘钥

能够为数据提供强大的保护。

因为这种安全机制
是以物理学基本原理为基础，

量子计算机，或者未来的
任何超级计算机，

都不可能破解它。

我和我的团队正在跟许多顶尖大学

以及国防部门一起合作，

改进这项激动人心的技术，

发展下一代安全产品。

物联网预示了一个
高度互联时代的来临，

预计到2020年将会有
250-300亿设备接入互联网。

要想我们的社会
在物联网世界正常运作，

那么对这些互联设备系统的
信任就至关重要。

我们相信量子技术
对于建立这种信任会非常重要，

它将保证我们充分享受
这些神奇的创新，

享受这些能让我们的生活
丰富多彩的创新。

谢谢大家。

（掌声）