量子計算如何威脅現有的密碼系統

理解密碼學在數位安全中的角色

密碼學是現代數位安全的基石，能夠實現機密通信、安全交易和資料完整性。它涉及複雜的數學演算法，用以保護資訊免於未經授權的存取。傳統的密碼系統—如 RSA（Rivest-Shamir-Adleman）、橢圓曲線密碼（ECC）以及對稱金鑰演算法如 AES—都高度依賴計算上的困難性。例如，RSA 的安全性取決於分解大型合成數的難題，這被認為在合理時間內對經典電腦來說幾乎不可能完成。

然而，這些假設都是建立在經典計算能力之上。隨著科技進步，我們對潛在漏洞的理解也不斷深化——尤其是在量子計算出現之後。

量子計算基本原理及其優勢

量子電腦利用量子力學中的超疊加與糾纏原理，以不同於經典電腦的方法處理資訊。與只能是0或1狀態的比特不同，量子比特（qubits）可以同時存在多個狀態，使得某些運算速度呈指數級提升。

其中一個與密碼學相關的重要優勢，是它們能用像 Shor’s 演算法這樣的方法高效分解大整數。儘管傳統電腦在因式分解極大整數方面苦苦掙扎——這也是 RSA 加密背後的核心問題——但一旦建造出足夠強大的量子電腦，就有可能迅速破解此類加密。

為何量子計算構成對現行加密方法的威脅

主要擔憂在於：當前廣泛使用的加密方案可能被突破：

• RSA 加密：依賴素因式分解困難；受到 Shor’s 演算法輕鬆攻破。
• 橢圓曲線 密碼：同樣脆弱，因為它基於離散對數問題，而此問題可由量子演算法高效求解。
• 對稱金鑰演算法：相較非對稱方案更具抵抗力，但仍非萬無一失；Grover’s 演算法可以將其有效安全等級折半，如果實施得當，可降低其安全保障。

換句話說，即使今天保護著敏感資料，也可能在未來被破解，只要敵手獲得足夠先進、強大的量子運算能力。在銀行、醫療、政府通訊等行業，以及任何嚴重依賴加密技術保障資訊安全領域，其影響都非常深遠。

近期針對抗量子攻擊的新型 cryptography 發展

意識到這些威脅後，各界投入大量研究，以開發「抗量子」或「後量子」cryptographic 協議，包括：

• Quantum Key Distribution (QKD)：利用光子的偏振等原理，在長距離上進行安全交換金鑰；由於任何竊聽企圖都會改變傳輸內容，因此理論上無法破解。

• 格基 密碼（Lattice-Based Cryptography）：以硬格點問題為基礎，不論是古典還是未來可能出現的 quantum 攻擊，都具有良好的抵抗能力。

• 雜湊簽章與編碼基 算法：專門設計用來應付 post-quantum 威脅的新型方案。

許多科技巨頭和研究機構已取得突破，例如：

• IBM 正積極推動結合傳統與後量子的混合方案，用於企業系統中*

• 瑞士公司 QS7001 開發專門用以防禦未來潛在 quantum 攻擊的数据保護晶片*

這些努力旨在制定新標準，同時確保過渡期間向既有架構兼容，不造成重大干擾。

行業反應與未來展望

產業界已認識到全面轉型需要時間，因此提前布局至關重要。全球各國政府，包括北美和歐洲，也正透過 NIST（國家標準技術研究院）等組織，大力推動 post-quantum cryptography 標準制定工作。

此外，科技進步亦日新月異：

• 僅2025年，全球投資于 quantum 計算領域便達到億美元規模，有望持續指數增長直至2030年
• 科研人員成功突破光纖中糾纏光子的遠距離傳輸紀錄，一步邁向完全建立基於 quantum 原則之實用通訊渠道
• 各公司推出專門針對未来強大 quantum 處理器攻擊而設計硬體，例如矽晶片芯片，以提升防禦能力

這些發展彰顯了從實驗室走向實際應用的重要里程碑，也凸顯了各行各業面臨快速變革下亟需做好準備的重要性。

透過了解新興技術如何威脅目前 cryptographic 方法，以及相關應對措施，我們能更清楚地看見風險與機遇並存的一面。在快速變遷的信息時代，把握最新研究動態，有助于組織保持韌性，同時負責任地促進創新，共同打造一個更安全、更可靠且充滿希望的數位未來。