量子計算如何威脅現有的密碼算法

理解密碼學與量子計算的基礎

密碼學在保障數位通訊安全、保護敏感資料以及維持我們互聯世界的隱私方面扮演著關鍵角色。傳統的加密算法如 RSA、ECC（橢圓曲線加密）和 AES（高級加密標準）高度依賴於複雜數學問題，這些問題用經典電腦來解決在計算上幾乎是不可能完成的。例如，RSA 加密依賴於大合成數分解困難——這是一個在現有技術下，在合理時間內幾乎不可能完成的任務。

而量子計算則引入了一個範式轉變，它利用了超疊加(superposition)和糾纏(entanglement)等量子力學原理。不同於只能是0或1狀態的經典比特(bit)，量子比特(qubit)可以同時處於多種狀態。這一特性使得量子電腦能夠並行處理大量資料，將某些特定問題上的運算能力呈指數級提升。

核心威脅：Shor’s演算法及其影響

由數學家彼得·肖爾(Peter Shor)於1994年提出的Shor’s演算法，是目前對加密技術最具威脅性的突破之一。該演算法能讓具有足夠規模與能力的量子電腦高效地進行大整數質因數分解——而這正是許多廣泛使用之安全系統（如RSA）的基礎。

當可擴展的大型量子電腦出現後：

• RSA 加密可能在幾分鐘內被破解。
• 基於類似假設建立之電子簽章也可能被偽造。
• 安全金鑰交換協議亦面臨潛在危機。

此類能力不僅威脅個人隱私，也對國家安全基礎設施與金融體系構成嚴重挑戰。

最近進展顯示出量子的實力

儘管目前尚未完全商用且能破解現代加密系統的大型實用性量子電腦，但近期的一些突破凸顯了快速進步：

• 2025年4月，研究人員成功利用光纖傳輸了長距離「量子訊息」——邁向抗竊聽、安全通訊的重要一步。

• 2025年5月，瑞士科學家推出了QS7001芯片，一款專為抵禦未來潛在「量子攻擊」而設計的新硬體裝置。此類硬體創新旨在提前部署抗Quantum 密碼技術，以應對即將到來的威脅。

這些發展彰顯出建立安全可靠通信渠道的重要性，以及制定新一代抗衡此類科技攻擊的新型標準迫切需求。

發展抗Quantum 密碼技術之緊迫性

隨著強大規模化「超級」量子電腦逐步逼近，我們必須徹底改變資訊安全策略：

主要挑戰

• 從易受Shor’s演算法攻擊之現有方案轉型。
• 在過渡期間確保舊有系統與新標準兼容。
• 在性能效率與更高安全性間取得平衡。

策略應對

全球各地組織正積極投入研發後Quantum(post-quantum)或抗Quantum(quantum-resistant) 演算法，包括晶格(lattice-based)、雜湊(hash-based)、編碼(code-based)、多變二次方程(multivariate quadratic equations)等方案，目前仍持續評估中以篩選最佳方案。

市場趨勢及投資動向

市場前景反映出高度緊迫感：預估到2025年全球投資將從約18億美元增長至2030年的70億至75億美元左右。政府和私營企業都認識到先發制人的重要性；否則就會面臨敏感資訊被竊取或曝光風險增加的不確定局面，一旦具備擴展能力的大規模機器問世，更是如此。

實務措施：防範未來 Quantum 攻擊的方法

為降低未來風險，可採取以下措施：

1. 採用混合式加密模型：結合傳統演算法與後Quantum方案，在過渡期內提供雙重保障。
2. 投資專門硬體設備：例如像QS7001那樣專為提升抵禦潛在攻擊而設計的新芯片。
3. 定期更新協議：確保採納符合NIST推動中的後Quantum標準，以保持最新防護水平。
4. 教育相關利益相關者：讓組織了解潛藏漏洞，提高網絡安全投入優先度。

透過提前整合上述策略，即使還未全面商業化，也能更有效守護資訊免受日益強大的 quantum 計算帶來的新威脅影響。

總結而言：我們正站在人類科技的一個激動人心前沿——突破性的運算能力帶來空前機遇，但同時也伴隨著重大風險。如果不調整既有安保措施，例如忽視像Shor’s演算法所帶來的挑戰，就可能喪失掌控今日存儲但明日就會暴露的重要資訊。因此，加緊研發後Quantum 密碼技術、提高警覺並做好準備，是當今不可忽視的重要任務，也是維護長遠資訊安全不可或缺的一環。