2024 年 3 月 14 日
您可能每天都不假思索地這樣做 - 使用信用卡在網路上購物,或在手機上安裝更新,或傳送機密檔案給同事。但您如何確定您的帳戶不會被駭客入侵,或更新不是惡意軟體?
答案就是網際網路安全通訊協定,它能保障每天數十億筆交易和通訊的安全。現代加密方法使用的演算法對傳統電腦來說太難破解了。即使是最強大的超級電腦,也可能要花上數百萬年的時間來猜測,才能找到正確的密碼。
但一種稱為量子電腦的新裝置可以在幾分鐘內破解密碼。這些機器利用量子力學的特性,在處理能力方面取得前所未有的進展,有可能幫助科學家發現大片藥物或設計高效電池。然而,如果落入犯罪集團或國家贊助的駭客手中,它們可能會摧毀數位安全的基石。雖然量子電腦還未普及到足以破解密碼標準,但全球各地都在競相加強防禦。
"萬事達卡總裁暨技術長 Ed McLaughlin 表示:「我們面臨全球商業真正存在的威脅。「我們希望引領創新,保護各地的企業和客戶」。
因此,萬事達卡於 2021 年推出量子安全與通訊專案,建模可抵抗量子攻擊的加密新方法。當工程師找出漏洞並測試升級時,這些結果將直接為未來的網路設計提供資訊。
量子電腦與古典電腦一樣,依賴物理現象將資訊編碼為一串一串的 1 與 0。在您的筆記型電腦中,物理實體是電流,可以是關閉或開啟 - 0 或 1。量子電腦使用量子位元(qubit),也就是被隔離在特殊電路或真空室中的次原子粒子。就像古典電腦中的電路一樣,量子位元被限制在兩個不同的狀態(例如電子的自旋方向或光子的偏振)。
但是 - 這就是開始變得怪異的地方 - 奇偶位元可以被置入疊加狀態,也就是說它們同時佔有兩種狀態,直到它們被觀察到,此時它們會塌陷為單一結果。(還記得薛定谔的貓嗎,同時活著又死了?)這個新增的維度可讓量子電腦同時對問題提出所有可能的解決方案。
量子力學也賦予了量子位元一種力量倍增器,而且更加怪異:量子位元可以變得糾纏不清,也就是說它們的狀態會相互關聯,要麼永遠一致,要麼永遠相反。無論它們相隔多遠,糾纏的量子位元發生變化時,其他量子位元也會立即受到影響,觀察其中一個量子位元就能確認其對應量子位元的狀態。
疊加和糾纏這兩個特性賦予量子電腦比現今最先進的超級電腦更強大的能力。疊加狀態中的糾纏量子位元會記錄它們所有可能的狀態組合,因此每增加一個量子位元,資料容量就會增加一倍:兩個量子位元可儲存四個數值,三個量子位元可儲存八個數值,而 50 個量子位元則可儲存超過四億個數值。
"George Maddaloni 負責 Mastercard 的營運、網路與員工數位體驗團隊,並帶領該公司以未來方式防禦網路量子威脅。
「在未來 15 年內,這些電腦可能會摧毀全球網路安全基礎設施的根基」。
為了對抗這種威脅,網路安全專家正嘗試採用兩種並行策略:強化傳統加密演算法,以及使用量子電腦推演加密金鑰。
Maddaloni 和他的團隊研究了這兩種方法。首先,他們測試了新的加密演算法,這種演算法被稱為後量子加密法 (postquantum cryptography),或 PQC。Mastercard 團隊與該領域值得信賴的專家合作,在雲端建立了一個虛擬網路,模擬兩家企業透過私人頻道進行溝通。然後,他們來回穿梭資料,並以國家標準與技術研究院選定為潛在 PQC 標準的演算法加密。
目標是協助 NIST 評估候選演算法,Maddaloni 承認這是一個陷阱。"他說:「我們無法確實說明這些演算法有多安全,因為沒有廣泛可用的量子電腦來測試這些演算法。「但只要這項技術可以商業化,一切就太遲了」。
為了瞭解更多資訊,Mastercard 也探討了該技術如何與現有網路整合。"Maddaloni 解釋說:「我們測試現有的硬體平台是否能透過軟體更新支援 PQC,這樣我們就不必設計全新的設備。
從長遠來看,研究團隊還測試了量子密鑰分發(或稱 QKD)的解決方案,其中光粒子序列對加密密鑰進行了編碼。當密碼匙從傳送者傳送到接收者時,量子力學的特性會保護密碼匙不被竊聽。由於觀察量子粒子會使其發生不可逆轉的改變,因此任何駭客試圖讀取或複製光子,都會在接收端產生錯誤。
為了確定 QKD 是否能在 Mastercard 複雜的全球網路中運作,研究團隊建立了一個量子架構模型。這本身就是一項挑戰,因為很少有硬體廠商製造可與 QKD 系統整合的設備。
"McLaughlin 說:「沒有現成的解決方案。「我們必須自己創造它」
其中兩個測試設置被限制在實驗室內。研究團隊將最先進的 QKD 產生器和發射器與構成萬事達卡網路的同類實體硬體相連結。然後,當系統模擬真實世界的訊息傳輸流程時,工程師測量每個解決方案的效能;最快的解決方案每秒可為 1,831 台裝置提供鑰匙。他們還計算了每個系統在暫時中斷後的恢復時間(勝出者在五分鐘內就能重新連線)。在其中一個設定中,研究團隊模擬黑客正在監視量子通道。接收者正確地將受干擾的 qubit 識別為錯誤。
為了在更遠的距離測試 QKD,工程師在兩棟大樓之間鋪設了 2.5 英里長的光纖電纜。然後,為了模擬州際或跨洲連接,他們用光學裝置削弱了訊號。鑰匙到達的速度較慢,但仍足以滿足許多應用的需求。
雖然研究團隊最後得出的結論是 QKD 還未準備好投入使用,但最新一代的 QKD 裝置在可靠性和彈性方面都遠遠高於前一代產品。如果供應商保持相同的速度,QKD 將可在未來五年內完成部署。
"McLaughlin 說:「我們正與供應商進行即時測試。「如果 QKD 成為產業標準,我們就能為其他公司鋪路,讓他們的商業資料和客戶安全無虞」。