量子電腦技術對人類科技使將帶來那些改變?

精彩回顧

量子電腦技術對人類科技使將帶來那些改變?

活動訊息

日期:2021年8月5日(四)14:00 – 16:00

14:00 – 14:50   專題演講一:量子電腦優勢與未來

講者:黃琮暐 教授(中原大學資訊工程學系)

14:50 – 15:00   現場Q&A

15:00 – 15:50    專題演講二:量子電腦發展對密碼學或資安的影響

講者:楊柏因 研究員(中央研究院資訊科學研究所)

15:50 – 16:00   現場Q&A

量子電腦優勢與未來 / 黃琮暐 教授(中原大學資訊工程學系)

人類科技發展的速度愈來愈快,且技術的改變亦會連帶造成國力分配的改變,量子電腦將是下個世代的科技發展重點。1927年於布魯塞爾舉行的索爾維會議使人類對量子技術具初步概念,在第二次世界大戰期間,由美國主導的「曼哈頓計劃」便應用量子力學概念。1953年,Tom Kilburn發明第一臺半導體電腦,進一步推進量子力學發展,但上述都是量子力學的結果,直到近年,人類才開始掌握量子力學過程。2016年,歐盟執委會發表《量子宣言》,號召歐盟各國發起一項預算高達十億歐元的量子技術旗艦計畫,同年,IBM推出量子電腦。目前許多國家也簽署相關法案發展量子力學,例如:2018年美國川普總統簽署《國家量子啟動法案》(National Quantum Initiative Act),近期芝加哥也成立量子科技產業園區,將相關課程納入基礎教育(幼稚園至高中畢業);中國亦投入大量資源開發量子技術,並在2016年製造出號稱全球第一個量子科學實驗衛星「墨子號」;德國花費6億5千萬歐元向IBM買量子電腦,顯示出量子電腦技術已是國家級科技競賽。

根據歐盟於2016年發表的《量子宣言》,未來量子科技發展的四大主軸是量子通訊、量子模擬、量子感測器與量子電腦,量子通訊技術未來可被用於破解RSA監聽技術,或是使被監聽方取得監聽情報並轉換通訊模式。在量子通訊網路方面,中國發展很快,目前已部署上千公里的量子光纖網路,我國交大和清大也有部署。

量子電腦須具備保存量子狀態的物質與適當程式,其應用領域遍及物理、化學、量子資訊、人工智慧、金融科技、藥物研究、材料科學等領域,機器學習、藥物設計、金融應用及密碼破解皆是重要應用。

面對COVID-19這類重大疫情,未來量子電腦有機會準確地模擬蛋白質和病毒行為以使專家更有效地找到藥物。金融界也正加緊投資,量子技術可促使金融界執行高頻交易、更精準地推薦客戶投資組合及處理定價問題。預計量子資安問題將於2026至2030年期間產生。

量子電腦發展對密碼學或資安的影響 / 楊柏因 研究員(中央研究院資訊科學研究所)

現代生活已完全離不開現代密碼學,而無法被量子電腦破解的電腦系統我們稱為「後量子密碼系統」,後量子密碼系統並非新興技術,目前已存在約43年。

量子密碼學通常指的是量子密鑰分配(quantum key distribution,QKD),美國國家安全局(National Security Agency,NSA)及歐洲國家已表示不建議使用QKD或其他量子密碼學。因為若要使用QKD須備有特殊設備,且其成本及造成的內部威脅較高。此外,QKD僅能解決部分問題且無法被輕易認證,須具備一個可以認證身分的通訊管道方能使用。NSA建議跟著國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的標準流程使用後量子密碼學(Post-quantum cryptography,PQC)。

待量子攻擊發展成熟且夠便宜時,若我們還沒更改系統,敵人可任意閱讀和更改我們的通訊系統,即使我們已購買系統,也不能阻止敵人查閱之前的通訊內容。國家級的攻擊者今天正蒐集加密資訊,只要擁有量子電腦就可取得機密資訊,愈早更換系統可減少愈多損失。

針對通訊安全,物理學家M. Mosca發表的「xyz理論」指出,當「我們需要資訊保持安全的時間長」(x)加上「改易基礎建設為後量子所需的時間」(y)大於「中大型通用量子電腦做出來的所需時間」時,通訊安全可能就會出現嚴重問題。當敵方具有量子電腦設備而我們僅能使用古典電腦時,我們必須將密碼系統替換成後量子密碼系統,才能保證長久安全。 目前NIST舉辦多次後量子密碼學相關競賽,每次都競爭激烈,中國密碼學會也跟進,預期未來中國會制定自己的國家標準。至於要使用何種加密系統?我認為Classic McEliece、NTRU Prime及雜湊函數簽章(Hash-based signatures)皆是不錯的選項,並建議將密碼系統轉移到長期安全的系統,同時使用金鑰延續性(用傳統密碼系統同意金鑰和舊的共同金鑰混合做為下個金鑰)增加安全性。最後,由於設計新實作系統所需時間很長,要轉換新系統甚至須更久時間,因此建議盡早開始更換系統。不過後量子密碼學並非沒有缺點,其使用起來較不方便且因為有較多程式,因此須透過大幅更新和檢查程式方能使用。

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