2019 年全球正式進入量子運算應用元年；未來若是量子運算技術發展完備，就有可能在幾秒鐘的時間內，破解現有的公鑰系統密碼，包含銀行系統、比特幣等密碼貨幣的數位簽章。甚至連國防的導彈系統與重要國家機密情資，也將無法抵禦量子運算所帶來的算力攻擊。
科技巨頭從技術趨勢中看見市場利基，紛紛投身量子運算的研發，其中以 IBM 與 Google 的相關發展最為著名。舉例來說，IBM 今年 8 月即發表三項突破性進展；首先，IBM 宣布將在 2020 年研發能抵禦量子運算攻擊的公有雲服務，再來，IBM 也展示全球第一部量子運算資安防護的磁帶機原型，最後，IBM 將把量子加密演算法捐贈給開源社群。除了 IBM，Google 也於 10 月發表論文，聲稱達到量子霸權。
在量子運算的研發熱潮中，到底是什麼讓 Google、IBM 大費周章加速推動發展？世界政府為何開始重視「後量子密碼學」議題？能夠承受量子運算攻擊的技術究竟是什麼？它又將如何改變我們的未來？
傳統電腦千年無法破解金鑰，量子電腦只要幾小時
世界政府、企業積極投身量子運算研發的理由很簡單，因為據 CSA 報告指出，不出 10-15 年的時間，量子電腦將具備足夠的算力破解人類社會大大仰賴的加密金鑰系統，從智慧電網到個人銀行帳戶等每個運作環節都可能成為刀上俎；其後果將不堪設想：小則個資被竊、信用卡遭盗刷，大則整個城市交通癱瘓、國際股市停擺、水電基礎設施遭到破壞。
加密金鑰系統是時下普及的加密系統，最簡單的體現方式就是民眾每天看 Email，上網購物或轉帳時，網頁上會出現的鎖頭符號，它代表該網頁所有的線上活動都會透過 HTTPS 這個網路協定，來對我們收發的所有資訊進行加密。其原理是透過一套公私鑰的加密系統，讓每一個金鑰位元高達幾百位數，駭客若要破解，以目前的電腦算力去嘗試所有的金鑰組合，可能要花上幾千年、甚至幾百萬年的時間。
不過隨著量子電腦的問市，這些曾被認為固若金湯的加密方式，有可能全面失守，量子電腦能協助駭客更快速突破傳統的加密演算法。關鍵就在量子運算的基礎特性，量子電腦雖和傳統電腦同樣使用 0 與 1 兩個位元，但一個量子位元卻可同時具備 0 與 1 的狀態，又稱為「量子疊加」；這種特性大大加強了電腦算力。換言之，傳統電腦要花幾千年來破解的金鑰，量子電腦可能一天甚至數小時就辦得到。
另一方面，駭客也能利用科學家發展出來的「量子演算法」來達陣，其中對現行 RSA 加密法構成最大威脅的，就是麻省理工學院教授 Peter Shor 在 1994 年發表的演算法，根據美國國家科學院（US National Academies of Science, Engineering and Medicine）近期估算，一部算力強大的量子電腦若執行 Shor 的演算法，不到一天就能破解 1024 位元的 RSA 金鑰。
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資安機制全面癱瘓的未來：Y2Q 危機防得了嗎？
量子運算的破壞力之強，科學家彷彿預見人類資安機制走向全面癱瘓的未來，並將此現象稱為 Y2Q 危機（Years to Quantum）；不過可以放心的是，Y2Q 還不致於在下個月或明年到來，理由在於科學界預估若要讓量子電腦快速破解 RSA 金鑰系統（8小時之內），至少需要 2 千萬個量子位元，而目前最強大的量子電腦僅有 128 量子位元。
然而量子電腦的進化速度難以預期，連同 Google、IBM 與各國政府積極備戰 Y2Q 危機的產官學研發下，更顯現出人類無法高枕無憂，量子電腦可能不用 10-15 年，甚至更快就可以具備足夠算力，顛覆人類現有的資安機制。
為了避免數據災難發生，全球企業到政府部門皆嚴陣以待，因為銀行、戶政、基礎建設等所儲存的資料至少要保存十年以上，在不能使用 RSA 加密法的狀況下，現在就得尋找出數據安全的替代方案。除此之外，自駕車、智慧電網、遠距醫療等數位研發成果也需高度仰賴加密演算法確保人類隱私、財產和生命安全，一旦系統遭到駭客破壞或接管，若發生末日電影的混亂場景也不稀奇。更重要的是，傳統的加密法已深入人類日常生活的每個環節，要把大海般的數據翻找出來，全面套用新的加密法也要花上好幾年的時間，如此浩大的工程急不可待。
拉起量子危機警戒線！全球產業政府積極備戰
「以子之矛、攻子之盾」，所幸科學界目前已發展出一些解方，利用量子運算的特性，來抵擋量子電腦帶來的資安威脅，被稱為「量子密碼學」或「後量子加密」，也就是量子時代來臨後，還能有效發揮作用的加密法。這類加密法的原理有二，一是增加數位金鑰的規模，二是提高「暗門」的複雜度（暗門為 RSA 演算法採用的函數之一，讓製作金鑰容易、但破解難）；例如 lattic-based（晶格密碼學）或 SIDH（奇異橢圓曲線同源密鑰加換）等架構都是已發展出來的後量子加密法。
美國政府中的 NIST 也於 2016 年展開量子密碼的標準制定，並已將待選的標準從 69 件篩選到 26 件，然而 NIST 表示，美國最快也要等到 2022 年，才能看到標準制定草案。因應 Y2Q 的量子危機，台灣也不缺席，由科技部主辦的「2019 未來科技展」將於 12 月 6 日舉辦「量子加密：是現存資安機制的轉機還是末日！」論壇，邀請到於今年甫募到四億元種子資金的芬蘭量子電腦新創 IQM 首席科學長 Mikko Möttönen 做 Keynote 演講，於 Panel 討論中則邀請行政院資通安全處處長簡宏偉、銓安智慧科技研發長陳君明、清大物理系教授牟中瑜探討台灣於全球量子研發狂潮下，台灣如何集成創新能量，在產業升級與國家安全雙重面向把握領先機會，為台灣在面對全新資安時代做好準備。
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（本文提供合作夥伴轉載，首圖來源：Pxhere, CC Licensed。）
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