量子電腦到底有多霸氣?即將引爆終極密碼戰

中研院資訊所鐘楷閔副研究員形容密碼學就像好人與壞人的戰爭,站在量子密碼學研究前線的他,將為讀者揭密這場沒有煙硝的資安保衛戰。
評論
Photo Credit:研之有物/林洵安攝
評論

本篇來自合作媒體研之有物,作者郭雅欣,INSIDE 經授權轉載。

今年 10 月 Google 宣布達成「量子霸權」,全世界都驚呆了!量子電腦已經無所不能了嗎?其實量子霸權的意義在於:人類讓量子電腦做到一件古典電腦很難達成的事。不過,量子電腦的進度條的確正快速更新,未來可能帶給人類巨大的福祉,但也會顛覆現今保護我們隱私的加密系統。中研院資訊所鐘楷閔副研究員(見首圖)形容密碼學就像好人與壞人的戰爭,站在量子密碼學研究前線的他,將為讀者揭密這場沒有煙硝的資安保衛戰。

什麼是量子電腦?

量子電腦和傳統電腦的不同,在於利用各種神奇的量子特性,也就是當我們以微觀角度觀察這個世界時,與巨觀世界不同的特性,像是讓薛丁格的貓是死或沒死的「疊加態」,或是兩個量子即使相距很遠,仍會依據對方狀態而決定自己當下狀態的「纏結效應」。當電腦擁用這些比科幻還科幻的量子特性,將克服古典電腦無法解決的難題。

不過,鐘楷閔立刻猛劃重點強調:

量子電腦不是無所不能,或是每秒鐘能做的事比較多,它只在某些「特定 (很重要)問題」,有比古典電腦更快的解法,只需要更少空間和步驟。

舉例來說,未來量子電腦可能用於模擬細菌的固氮作用,將大大提升農業製造氮肥的效率。因細菌進行固氮作用時,有些關鍵步驟具量子效應,模擬這些效應的複雜度將超越古典電腦的極限。量子電腦「剛剛好」是以量子效應運作,當然較有希望成功。

不幸的是,量子電腦可攻克的「特定問題」,也包括時刻保護我們交易安全和隱私的加密系統……

堅不可摧的加密系統

登入網購平台,輸入帳號密碼,選好商品放入購物車(又剁了好幾根手指) 之後,再填好地址及電話,按下結帳,輸入信用卡卡號,接下來只要等商品送上門,啊,多美好的日常……等等,你算過剛剛 5 分鐘裡,親手傳出多少個資嗎?這個問題細思極恐,事實上不必太擔心,因為密碼學默默保護著我們。

早在  千年前凱撒大帝打仗時,就懂得使用「暗號」來保護軍事書信。只有知道暗號的人能「解讀」信件內容,對不知道暗號的敵人來說,就算拿到書信也只是一堆亂碼。

但這套方式有個致命傷,那就是「如何一開始讓所有合法的使用者拿到一樣的暗號,又不會讓暗號外洩呢?」當代密碼學家想出一套稱為「非對稱加密 」的方式,利用成對的公鑰和私鑰來加密暗號,公鑰就像蓋上就鎖住的盒子,私鑰是打開這個盒子的鑰匙。如此一來,就能讓素昧平生的合法使用者,先利用比較安全的非對稱加密傳遞暗號,接下來就能靠暗號祕密通訊了。當你登入網購平台買東西,你的電腦和平台之間的通訊,就是透過類似的方式保護你的個資。

舉例來說,當顧客登入網路書店,申請刷卡購買「研之有物」的新書。網路書店會立刻製造一對公鑰和私鑰,把公鑰傳給客戶的電腦。客戶端的電腦再將自己的暗號,以公鑰加密後傳回網路書店。壞人沒有私鑰,就算中途攔截資訊也無法破解。最後,網路書店用私鑰解密,得到客戶的暗號,接下來就靠暗號傳送信用卡卡號等個資了。

讀者可能會有疑問:那為什麼不直接把所有訊息透過非對稱加密傳遞,還需要先傳暗號、再用暗號保護訊息呢?原因在於,非對稱加密的效率非常低,而透過暗號加密(稱為對稱式加密)的效率很高。因此,目前的網路架構,僅利用非對稱加密傳遞短短的暗號,接下來主要的通訊就使用高效率的對稱式加密。

當然,網路並不是真的有個盒子在傳輸!目前的加密系統能如此安全,關鍵是核心有個難以解開的數學難題,需要公鑰加上私鑰才能解開。所以即使壞人拿到加密訊息,沒有私鑰還是解不了密碼。

這類數學難題很多,像是超大數字的質因數分解。隨機找兩個很大的質數相乘 ,比如 97 乘上 113,就會得到一個超大數字 10,961,很簡單吧?但是,如果一開始給你 10,961,你算得出它是哪兩個質數相乘嗎?

這不是國小老師偷懶沒教,而是人類還沒找到有效率的方法(多項式時間的演算法)來計算質因數分解這類問題。所以理論上,只要數字夠大,即使是全世界性能最強大的超級電腦,也可能花費上萬年才能破解。

簡言之,加密系統核心的數學難題愈困難,古典電腦就需要花愈長時間破解,加密系統也就愈安全。

破解古典密碼,量子電腦 hen 會

然而,現今密碼學看似堅不可破的數學難題,在量子電腦的面前變得不堪一擊。因為這些問題的答案都可轉化成週期性的結構,剛好量子電腦擅長破解。

什麼是週期性結構?再以質因數分解問題舉例:想要找出 N 這個數字是由哪兩個質數(P 與 Q)相乘所得,可以先任意選擇一個數字 A ,用 A 去除 N,得到一個餘數 a1,接下來依序用 A2、A3、A4……不斷除 N,就會得到餘數 a1、a2、a3、a4……最後某次操作,餘數會回到 a1,形成週期性結構,一旦找到週期,就能「比較有效率」的分解 N。

不過,對古典電腦來說,當數字相當巨大時,尋找餘數的週期仍是十分困難的任務,但對有疊加作用的量子電腦,卻是小事一樁。

總之,目前我們所仰賴的加密系統,在量子電腦出現之後將變得不再安全……可是 IBM、Google 不斷更新量子電腦發展的進度條,我們已經暴露在資訊外洩的風險之下了嗎?

別擔心!小亞瑟還沒長成惡魔小丑

其實,量子電腦目前還只是嬰兒階段。以 Google 達成量子霸權的量子電腦來說,只有 53 位元。

相較古典電腦,早在 1970 年發表的英特爾(Intel)1103,為容量 1kb(1,024 位元)的記憶體。「古典電腦如果只有 53 位元記憶體,連程式都沒辦法寫,英文字母只能存 7 個,可以想像現在的量子電腦 Size 有多迷你。」鐘楷閔笑著繼續解釋:「而且如果把 Google 做的事畫成一個量子電路,這台電腦能執行的電路深度最多只有 20 層。」翻譯成大白話,意思是:每位元只能運算 20 次!

「20 次!這麼少?」你發現重點了!量子位元操作時很容易受環境影響而壞掉,20 次操作已是目前的極限。

Google 公布的 53 位元量子電腦。上圖每個灰色 × 皆是一個量子位元,白色 × 是壞掉的量子位元,下圖為幾公分大的量子電腦晶片,量子位元統統擠在這小小的晶片中。Photo Credit:Nature

不只如此,Google 這次霸氣外漏宣告,他們讓量子電腦做的事,其實是……模擬量子電腦自己!「哈哈,這題目有點作弊嫌疑啦!不過,這依然是很重要的結果,證明即使現在量子電腦這麼小,已經可以做到古典電腦做不到的事了。」鐘楷閔笑著解釋。

這個任務有多難?如果古典電腦試圖模擬同樣的量子系統,必須先將量子態用 0 與 1 記錄下來,再計算這些 0 與 1 經過 20 次量子運算會有什麼改變,最後才能得到結果。可是古典電腦光是要把 53 個量子位元的狀態寫下來,就需要 2 的 53 次方位元的空間,更別提運算和模擬了!根據 Google 論文宣稱,古典電腦要完成這件事得花 1 萬年,但這台小小的量子電腦只需花 200 秒。

Google 實驗的意義在於:我們已可控制 53 個量子位元完成 20 次操作,這是目前古典電腦做不到的事。

但是,這距離真正「有用」的量子電腦還有很遠的路!拿量子電腦模擬細菌固氮效應來說,量子電腦得擁有 100 左右量子位元,並且能運算操作 1,014 次……想想,Google 的量子電腦只有 53 個位元不說,且只能操作 20 次,簡直天壤之別!至於量子電腦破解現在的加密系統,根據專家預測,嗯,至少還要 30 年時間。

終極密碼戰,現在就開打

雖然如此,但密碼學已深入現代生活的各方面,不早點找出應對之策,屆時可就來不及了。想想全世界在千禧年危機的手忙腳亂、損失慘重……

從 2017 年起,美國國家標準暨技術研究院(NIST)開始著手「後量子密碼標準化計畫」,募集全世界密碼學家研發、可對抗量子電腦的密碼系統。這些密碼系統的核心同樣有個數學難題,但這個難題無法轉化成量子電腦擅長的週期性問題,中研院資訊所楊柏因研究員團隊也參與這個計畫,並通過第二輪選拔。

「整個過程就像選秀節目,」鍾楷閔笑著形容:「主辦單位先海選出合適的密碼系統,然後經過兩輪篩選,訂定標準化的各項參數,預計在 2022-2024 年公布最終標準。」

簡言之,3-5 年後,我們很可能就會開始逐步更新密碼系統,正式進入「後量子時代」。

這場密碼學的競賽,就像好人與壞人的戰爭。究竟是壞人會先利用量子電腦破解加密系統,擊潰目前的資訊安全網,還是好人會先做出安全的後量子時代加密系統,築起更安全的防禦牆,關鍵就在這幾十年量子電腦的發展。

科技進步不會停止,在量子電腦發展過程,密碼學家正努力追趕進度,為人類預先設下資訊安全網。下次在網路輸入個人資料時,不妨感謝一下在螢幕後默默努力的密碼學家(合十)。

問:原來量子電腦還在嬰兒階段,只能運算 20 次啊……想要運算次數快速成長,有沒有什麼好辦法?

答:其實,不太可能期待一個量子態經過多次運算操作還不會壞掉,所以我們應該換一個概念:當做了一定的計算,量子態開始有一點點壞掉時,立刻修復它。換句話說,如果能成功幫量子位元隨時除錯,那計算次數就可以無限多。

為此,科學家正在研發如何替量子位元編碼,變成「邏輯量子位元」。所以有人認為,量子電腦的下一個目標,應該是先做到邏輯量子位元。

另一種有趣的想法是,如果把操作有限的小型量子電腦,配上古典電腦,也許可以相當於大型量子電腦……

問:小型量子電腦+古典電腦=大型量子電腦,這個點子感覺有戲!

答:可惜的是,沒有這麼便宜的事!我們團隊最新的研究,在某個模型下,反駁了英國密碼學家喬茲薩(Richard Jozsa)提出的類似想法「喬茲薩猜想」。

喬茲薩猜想的意思是:所有可被大型量子電腦解決的問題,運算步驟都可拆解,然後由小型量子電腦(只能進行少次數操作)搭配古典電腦解決。如果這樣的猜想為真,意味著不需要強大的量子電腦(能進行很多次操作),只要小型量子電腦和古典電腦合作,也能解決所有大型量子電腦可做的事。

Photo Credit:鐘楷閔

我們團隊則在密碼學的「預言機模型」(oracle model)下提出一個問題,證明量子操作次數不夠多時,這個問題無法解開,為這個猜想找到反例。

問:真可惜……除了量子電腦本身,鐘老師對量子密碼學還有進行什麼研究呢?

答:我另一項研究重點,與密碼學的安全性證明有關。前面說過,密碼系統的核心是一個數學難題,換句話說,一個密碼系統的安全性必須仰賴這個數學難題無法破解。

我們可用數學證明這些密碼系統的構造有多安全,但對應的量子版我們還在研究。

因為愈好的證明,愈能確保加密系統的安全性。尤其在 NIST 如火如荼找出後量子時代加密系統的現在,我們能做到多好的證明,也會影響標準化的參數要怎麼設定,才能滿足運算速度夠快,但又非常安全的需求。這是現代密碼學家非常重要的任務。

責任編輯:Anny
核稿編輯:Mia

延伸閱讀:



看見社會包容力 ─ 每一簇的數位星火

過去一年,新冠肺炎讓全球進入一座大型數位轉型實驗室,小從日常飲食、上班上課,大至城鄉發展,這波加速的數位轉型,並不會隨疫情退散而消失,正因如此,影響社會各層面的「數位包容」顯得格外重要。
評論
Photo Credit:unsplash
評論

根據國際數據資訊(International Data Corporation)預估,2020 ─ 2023 年,全球與數位轉型相關的直接投資金額,每年以 15% 增速成長,2023 年將達到 6.8 兆美元,建立起強大的數位平台與生態系。在台灣無論是在深山林裡、海濱小村、城市邊緣的各個角落中有許多善用科技,結合創意與行動力量,讓不分年齡、行業的每一份子,在數位轉型的進程上不脫隊。

長年在東海岸投入偏鄉工作的師大教授須文蔚,可說是弭平城鄉落差最有創意的實踐者。他主持的宜蘭花蓮數位機會中心(下稱 DOC)、「教育部邁向數位平權推動計畫」,替鄉村裡的學童、老人家、新住民、返鄉青年,找到了夢想和方向。

弭平城鄉落差 DOC數位機會中心創意無限

談到數位包容,須文蔚強調,科技固然是必要工具,但「偏鄉機會不在於昂貴的 ICT 投資,而在於創新應用的推廣,以及人際脈絡的連結」;花蓮的宜昌國小就是很好的例子。DOC 多年來推動「小攝影師的三個大夢」計畫,向各界募集二手相機給孩子課後使用、邀請公視導演開攝影課,並攜手瑪利亞社會福利基金會舉辦公益競賽;而宜昌國小的學童在學會了攝影技能後,把海邊淨灘撿到的垃圾全程影像紀錄並以攝影展呈現,提醒各界重視環保,得到那一年公益競賽第一名。

DOC 募集了超過 600 台二手相機,為孩子辦理課程與攝影展。圖右二為須文蔚老師。Photo Credit:須文蔚老師

須文蔚笑說,別小看孩子的決心,「他們現在到夜市會自己帶容器,還叫老闆不能用塑膠袋。」偏鄉的孩子們能夠自發推廣環保理念並化為行動,最初的起心動念竟是攝影課和公益競賽。

偏鄉有自己的智慧 只是需要輔助工具與科技

「智慧在偏鄉,地方從自己的獨特條件中,都找得到可能性;他們需要的是工具,我們就從旁協助。」須文蔚說,從創意發想、熱血實踐、再加上科技的臨門一腳,讓偏鄉的成員不再單打獨鬥,彼此有了連結,成為榮耀的共同體。DOC 替偏鄉導入的科技也與時俱進,像是使用 3D 列印建模,製作具地方特色及 Logo 的商品;近期也運用網路視訊電話,號召十多名志工,每天上線陪獨居老人聊天,「一開始大家很尷尬,但一年多下來,視訊成了日常,老人家也習慣科技結合人性的陪伴。」

儘管在偏鄉已有豐碩成果,但須文蔚坦言,數位包容仍有許多困境必須克服,例如科技的導入涉及跨部會的整合,遠距醫療、電子支付,都待進一步解套。「高齡的月琴阿嬤十多年前就來跟我們學電腦,一路在社區工作上陪伴我們成長。兩年前,她身體不適,請村長載她到市區看病,一個多小時的車程說說笑笑,沒想到抵達醫院不久就過世。」須文蔚說,偏鄉往返醫院的成本極高,遠距醫療若能普及,早期治療與預防,這樣的悲劇或許可以減少。

瑞穗 DOC 最認真的資深學員月琴阿媽能用滑鼠畫出美麗的蝴蝶。Photo Credit:須文蔚老師

面對疫情 餐飲小商家需要數位包容的保護傘

數位包容的範圍並不限於偏鄉,即使在城市中心,也可能面臨不平等與差距。過去兩個月,全台三級警戒,首當其衝的小型餐飲店家。相較大型業者,它們更缺乏資源來因應突如其來的疫情衝擊,例如原料採購成本提高,就使得小商家更顯弱勢。為弭平差距,透過共同採購、成本分攤、借重數位平台的雲端廚房,或許可成為選項之一。

中央廚房連線全台 19 個衛星廚房 Just Kitchen 提高美食製作及遞送效率

Just Kitchen 便是台灣首家雲端廚房業者,創始成員均來自台灣,憑藉代理國際餐飲品牌的經驗,將原本的中央廚房改裝,結合 AI、大數據、銷售分析,成立了雲端虛擬廚房,於去(2020)年 3 月開始推廣。Just Kitchen 行銷長 John 指出,所謂雲端廚房,就是純粹製作外送餐點,透過流程簡化及共同採購等各項優勢,打造更有競爭力的商業模式。

科技部門及大數據部門 餐飲商家進入市場 快速無痛且精準

除了經營自有代理品牌如 Fridays 的外送餐點,Just Kitchen 也與傳統業者如鬍鬚張、大三元攜手,替品牌設計適合外送的菜單,協助轉型擴大客源;未來更不排除與小型業者合作。營運長 Kent 指出,Just Kitchen 內部成立了科技部門及大數據部門,前者協助餐飲業者快速上線、有效執行營運 SOP 如庫存及管銷等;後者則分析人口特性、手機使用習慣、不同族群的喜好,以便更精準觸及客戶群。

以滷肉飯商家為例,在疫情衝擊下必須從原本的內用模式,快速無痛轉型至外送,即可借重雲端廚房。「我們替品牌業者全新設計外送菜單、採購食材、烹調製作、上架宣傳,再分潤給品牌夥伴。」Kent 指出,雲端廚房可協助既有品牌快速轉型、也能降低新品牌進入市場的門檻,還能將地方美食向外推廣到不同區域。

虛擬廚房界成長最快速的 Just Kitchen ,創始成員左至右分別是:策略長劉揚、營運長吳得暉、執行長陳星豪、行銷長游竣文、資訊長林效誠。Photo Credit:Just Kitchen

台灣美食揚名國際 寄望雲端廚房

日本的壽司、義大利的 Pizza、泰國的 Patai,都是不分國界朗朗上口的美食;台灣目前除了珍珠奶茶,尚未出現國際級的代表性美食。Just Kitchen 行銷長 John 指出,台灣的美食如此多元,卻不具備足以匹配的全球知名度,相當可惜;因此 正在計畫將牛肉麵、滷肉飯等推向國際。Just Kitchen 在台灣及香港的雲端廚房已經上線,未來還有美國、菲律賓、新加坡即將開站;有朝一日,台灣的一個小小店家,或許也能藉由像 Just Kitchen 這樣的平台,揚名全世界!

不遺漏任何人的數位包容島

不論是 DOC 運用科技推動資訊教育、地方創生、農村商機、文化紀錄,抑或是 Just Kitchen 雲端廚房為微小企業帶來的新希望,都與聯合國亞太經濟社會委員會(ESCAP)在今年三月提出的疫情報告《因應新冠疫情:不遺漏任何國家》,相互呼應聯合國數位政府永續目標 — Leave no one behind,檢視最脆弱的社會部門,並透過加強區域合作來改善。

以台灣的科技產業強項,再結合多年來政府與民間攜手在數位包容工作上的創意與經驗,相信並期待種種在台灣「Leave no one behind」的嘗試與成果,成為台灣貢獻國際社會的有力切入點,當在地的數位包容經驗走向國際,台灣也更能被世界看見。

行政院科技會報辦公室 廣告