資料保護:當量子計算遇見後量子密碼系統

量子計算(Quantum Computing )可以對科學發展帶來巨大的好處,但研究人員同時也認為,一旦發展起來,將可能破壞現在使用的加密技術,危及對於資料的保護。

什麼是量子計算

量子力學為當今的電腦處理資訊的方法開拓出另外一條道路,傳統電腦以位元儲存與處理資訊,1個位元的狀態可以是1或0,但兩者不會同時存在。而量子計算中所使用的是量子位元(quantum bits, or qubits),由於量子的疊加現象,量子位元可以既是1也是0,也可以是兩者之間的任何值。

舉例來說,在兩個位元情形,傳統電腦上每個位元會儲存1或0,組合起來可以有4個可能值(00、01、10與11),然而1次只能儲存其中一個值。而對於量子位元,每個量子位元可以是1、0或兩者,因此可以同時表示前述4個值。如果有3個量子位元,就可以表示8個值(2的3次方),有4個量子位元就可以表示16個值(2的4次方),以此類推。由於量子計算不僅可以對確定的值進行運算,還可以同時對所有可能的疊加進行運算,所以在特定的任務中,量子計算比傳統2進位計算方式具有效率。

對於資料保護的衝擊

量子計算對於資料保護產生重大衝擊的原因很多,原因之一是破解密碼的能力。量子計算可能會破壞現今許多傳統的加密技術,進而嚴重影響IT的安全性,幾乎所有需要安全性、隱私或信任的系統都會受到影響。

對於非對稱式密碼系統的影響

非對稱式密碼系統(asymmetric encryption),又稱為公開金鑰密碼系統(Public-key cryptography),是透過兩個金鑰(公鑰與私鑰)進行加解密。RSA演算法(Rivest-Sharmir-Adleman algorithm)即是屬於非對稱式密碼系統,通常用於在網路發送敏感資料的情形,RSA演算法允許公鑰和私鑰對資訊進行加密,因此可以確保資訊的機密性與真實性。

由於非對稱式密碼系統是奠基於傳統電腦難以解開的數學難題(例如對極大整數進行質因數分解,想像一下10961是由哪2個質數相乘?),需要透過結合公鑰與私鑰才能順利解開。

以RSA-768為例,其表示如下:1230186684530117755130494958384962720772853569595334792197322452151726400507263657518745202199786469389956474942774063845925192557326303453731548268507917026122142913461670429214311602221240479274737794080665351419597459856902143413
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然而量子計算強大的計算能力,將可能危及到現在的非對稱式密碼系統,攻擊者可以在不事先知道私鑰的情形下進行解密,進而影響到數位簽章(digital signatures)、線上購物與網路銀行等所必須的網路協定,例如HTTPS (TLS)。以我國為例,自然人憑證即是透過RSA加密來確認使用者身份。

對於對稱式密碼系統的影響

量子計算同時也會對於對稱式密碼系統(symmetric cryptography)造成影響(例如Advanced Encryption Standard, AES),透過Grover演算法(Grover’s algorithm)進行暴力破解,可以將破解難度減少到其平方根,因此AES128的強度將降低到2的64次方,AES256的強度則會降低為2的128次方。

後量子密碼系統

根據美國國家標準暨技術研究院(US National Institute of Standards and Technology, NIST)的報告,量子計算將對現行常用的加密演算法造成重大影響(如下表),因此便需要及早準備一個能夠對抗量子計算的密碼系統。

加密演算法類型目的來自大型量子電腦的衝擊
AES對稱加密需要更大的金鑰長度
SHA-2, SHA-3雜湊函數需要更多的輸出
RSA公鑰簽章,金鑰交換不再安全
ECDSA, ECDH
(橢圓曲線加密, elliptic curve cryptography)
公鑰簽章,金鑰交換不再安全
DSA(Finite Field Cryptography)公鑰簽章,金鑰交換不再安全
量子電腦對常用加密演算法的衝擊

後量子密碼系統(Post-quantum cryptography)是指透過使用量子電腦無法比其他電腦更有效求解的數學運算,達到其安全性不受量子電腦影響的密碼學。然而後量子密碼系統同時也會需要更大的運算資源進行加解密、對數位簽章進行簽名驗證,並且需要更多的網路資源來交換更長的金鑰與憑證。

儘管依目前的理解,在可預測的未來,量子電腦不會立即構成威脅,然而由於這樣的不可預測性,同時也會帶來IT的安全風險。因此NIST便開始徵求、評估與標準化後量子加密的標準,目前已有7個演算法進入決選,未來將從裡面選出對抗量子電腦的方法。

參考資料
1.EUROPEAN DATA PROTECTION SUPERVISOR〔EDPS〕, TechDispatch #2/2020: Quantum Computing and Cryptography, https://edps.europa.eu/data-protection/our-work/publications/techdispatch/techdispatch-22020-quantum-computing-and_en.
2.Microsoft, 〈了解量子計算〉, https://docs.microsoft.com/zh-tw/quantum/overview/understanding-quantum-computing
3.研之有物, 〈量子電腦到底有多霸氣?即將引爆終極密碼戰?!〉, https://research.sinica.edu.tw/chung-kai-min-quantum-computer-cryptography/
4.Lane Wagner, Is AES-256 Quantum Resistant?, https://medium.com/@wagslane/is-aes-256-quantum-resistant-d3f776163672.
5.余至浩, 〈【臺灣資安大會直擊】為對抗量子電腦攻擊手法,後量子加密PQC演算法有望變成未來全球加密與數位簽章新標準〉, iThome, https://www.ithome.com.tw/news/139334
6.NIST, NIST’s Post-Quantum Cryptography Program Enters ‘Selection Round’, https://www.nist.gov/news-events/news/2020/07/nists-post-quantum-cryptography-program-enters-selection-round.
7.Lily Chen (NIST), Stephen Jordan (NIST), Yi-Kai Liu (NIST), Dustin Moody (NIST), Rene Peralta (NIST), Ray Perlner (NIST), Daniel Smith-Tone (NIST), Report on Post-Quantum Cryptography, https://csrc.nist.gov/publications/detail/nistir/8105/final.

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筆者前幾天在一場邀講前往的途中,心血來潮到「法務部律師查詢系統」使用「律師證書區塊鏈驗證服務」,打算體驗一下律師證書與區塊鏈(Blockchain)的應用,然而沒想到卻發現筆者的證書區塊鏈驗證面臨到雜湊(hash)值比較不符的情形(如圖左),究竟是筆者這幾年日夜準備考試、律師執業生涯與律師證書都是夢一場,還是筆者眼睛業障重,才會發生這樣的情況呢?讓我們繼續看下去。

根據法務部的說法,透過結合律師證書與區塊鏈,可以讓民眾即時驗證律師真偽及確認律師證書有效性,避免民眾遭假律師受騙的情形。同時系統也會提供每位律師都將有專屬的QR CODE,可以印製在名片上方便民眾查詢真偽,而如果律師資料有異動,可以再次進行區塊鏈交易取得新的QR CODE。

然而,如果在客戶掃描了QR CODE的資料發現有前述雜湊值不一樣的結果,那可能就有點尷尬。好在法務部貼心的在網頁下方提供承辦人的電話,可以即時請求法務部承辦人與資訊處協助,在經過確認後,發現可能是當初資料上鏈的時候資料有誤,導致無法順利驗證,因此經過承辦人與資訊處協助後,結果便為「驗證屬實」(如圖右),同時也看得出區塊鏈發行日期與交易序號均已不同。

法務部推出這樣的律師證書區塊鏈驗證系統立意實屬良善,使用起來也很方便,同時感謝法務部人員即時提供協助修正資料。區塊鏈儘管有著去中心化、不可竄改性與可追溯性等特性,不過就像這次的故事一樣,如果在一開始資料上鏈的時候便有發生一些問題,則區塊鏈上的資料則會連帶發生錯誤,導致無法驗證,須要再透過產生一筆新的區塊鏈交易來解決這樣的問題。

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※延伸閱讀
1.法務部律師查詢系統
2.劉世怡,中央社,〈驗證律師真偽 法務部109年元旦新系統上線
3.王聖藜,聯合報,〈手機掃瞄專屬QR CODE找律師 法務部明年元旦起上線
4.YuanYin Hsu,〈杜絕《無照律師》真實上演,法務部 2020 年元旦推出「律師證書查驗系統」的下一步是什麼?