2024年3月14日
你可能每天都在不假思索地做這些事——用信用卡在網路上購物,或是在手機上安裝更新,或是向同事發送機密文件。但如何確保您的帳戶不會被駭客攻擊,或確保更新不是惡意軟體?
答案是網路安全協議,它每天保護數十億筆交易和通訊的安全。現代加密方法使用傳統電腦難以破解的演算法。即使是最強大的超級計算機,也可能需要數百萬年的時間才能猜出正確的密碼。
但一種名為量子電腦的新設備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了前所未有的進步,有可能幫助科學家發現重磅藥物或設計高效能電池。然而,如果落入犯罪集團或國家支持的駭客手中,它們可能會摧毀數位安全的基石。儘管量子電腦尚未普及到足以破解加密標準,但世界各地都在競相加強防禦。
萬事達卡總裁兼首席技術官埃德·麥克勞克林表示:“我們正面臨全球商業的真正生存威脅。”“我們希望引領創新,從而保護世界各地的企業和客戶。”
因此,萬事達卡在 2021 年啟動了量子安全和通訊項目,旨在建立能夠抵禦量子攻擊的新型加密方法。研究結果將直接為未來的網路設計提供依據,工程師可以藉此識別漏洞並測試升級方案。
量子電腦和經典電腦一樣,依靠物理現象將資訊編碼為 1 和 0 組成的字串。在你的筆記型電腦中,實體實體是電流,它可以是關閉的,也可以是開啟的——0 或 1。量子電腦使用量子比特,量子位元是隔離在專用電路或真空室中的亞原子粒子。與經典電腦中的電路類似,量子位元被限制在兩種不同的狀態(例如電子自旋的方向或光子的極化)。
但是——接下來事情開始變得奇怪了——量子位元可以處於疊加態,這意味著它們同時佔據兩種狀態,直到被觀察,此時它們會坍縮成單一結果。(還記得薛丁格的貓嗎?它既活著又死了。)這個新增維度使得量子電腦能夠同時構思出問題的所有可能解決方案。
量子力學也賦予量子位元一種力量倍增器,更奇怪的是:量子位元可以糾纏,這意味著它們的狀態是相關的,要麼總是匹配,要麼總是相反。無論相距多遠,糾纏量子位元中任何一個的變化都會立即影響其他量子比特,觀察其中一個量子位元的狀態即可確認其他量子位元的狀態。
量子電腦的疊加和糾纏這兩個特性,使其擁有比當今最先進的超級電腦強大得多的運算能力。處於疊加態的糾纏量子位元記錄了它們狀態的每一種可能組合,因此每增加一個量子比特,資料容量就會翻倍:兩個量子位元儲存四個值,三個量子位元儲存八個值,50 個量子位元儲存超過一千萬個值。
「正是這一點讓它們更加強大,因為它們超越了傳統的數據處理方式,」萬事達卡營運、網路和員工數位體驗團隊負責人喬治·馬達洛尼說道,他正領導公司採取措施,使其網路能夠抵禦量子威脅,以應對未來的挑戰。
“未來15年內,這些電腦可能會破壞全球網路安全基礎設施的基礎。”
為了應對這項威脅,網路安全專家正在嘗試兩種並行的策略:加強傳統加密演算法和使用量子電腦來匯出加密金鑰。
馬達洛尼和他的團隊對這兩種方法都進行了研究。首先,他們測試了旨在抵抗量子攻擊的新型加密演算法,這種策略被稱為後量子密碼學(PQC)。萬事達卡團隊與該領域的權威專家合作,在雲端建立了一個虛擬網絡,模擬兩個企業透過私有管道進行通訊。然後,他們來回傳輸數據,這些數據由美國國家標準與技術研究院選定的潛在 PQC 標準演算法進行加密。
目標是幫助 NIST 評估候選演算法,Maddaloni 承認這是一個兩難的困境。他說:“我們無法確切地說這些演算法有多安全,因為目前還沒有廣泛可用的量子計算機來測試它們。”“但一旦這項技術實現商業化,就為時已晚了。”
為了更深入地了解這項技術,萬事達卡也探索如何將其與現有網路整合。「我們進行了測試,看看現有的硬體平台是否可以透過軟體更新來支援 PQC,這樣我們就不必設計全新的設備了,」Maddaloni 解釋說。
著眼於長遠,團隊還測試了量子金鑰分發(QKD)解決方案,其中一系列光粒子對加密金鑰進行編碼。密鑰在從發送方傳輸到接收方的過程中,由於量子力學的特性,密鑰能夠免受竊聽者的竊聽。因為觀察量子粒子會對其造成不可逆的改變,所以駭客任何試圖讀取或複製光子的嘗試都會在接收端造成錯誤。
為了確定 QKD 是否能在萬事達卡複雜的全球網路中發揮作用,該團隊創建了一個量子賦能架構模型。這本身就是一個挑戰,因為很少有硬體供應商生產能夠與 QKD 系統整合的設備。
「沒有現成的解決方案,」麥克勞克林說。“我們得靠自己創造。”
其中兩項測試裝置僅限於實驗室內進行。該團隊將最先進的 QKD 生成器和發射器連接到構成萬事達卡網路的同類型實體硬體上。然後,在系統模擬真實世界訊息傳遞流程的同時,工程師們測量了每種解決方案的效能;速度最快的方案每秒可為 1,831 個裝置提供金鑰。他們還記錄了每個系統在暫時中斷後的恢復時間(獲勝者在五分鐘內恢復了線上狀態)。在其中一項實驗中,團隊模擬了駭客對量子通道的窺探行為。接收者正確地將受干擾的量子位元識別為錯誤。
為了測試更遠距離的量子金鑰分發,工程師們在兩棟建築物之間架設了 2.5 英里的光纖電纜。然後,為了模擬州際或跨大陸連接,他們用光學設備削弱了訊號。密鑰到達速度較慢,但對於許多應用來說仍然足夠快。
儘管團隊最終得出結論,QKD 尚未準備好投入使用,但最新一代的 QKD 設備比其前代產品更加可靠和耐用。如果供應商保持目前的進度,QKD技術預計將在未來五年內投入使用。
麥克勞克林說:“我們正在與供應商進行即時測試。”“如果 QKD 成為行業標準,我們將為其他公司保護其業務數據和客戶安全鋪平道路。”