2024年量子安全技术蓝皮书-量子科技产学研创新联盟-158页_45mb

量子科技产学研创新联盟《量子安全技术蓝皮书》总结

核心内容

《量子安全技术蓝皮书》由量子科技产学研创新联盟牵头编写，旨在探讨量子计算对传统密码体系的威胁以及实现量子安全的路径和方法。该蓝皮书围绕量子安全的概念、实现技术、综合应用、迁移策略及开放问题进行系统阐述，为信息安全行业提供理论与实践指导。

主要观点

• 量子安全的重要性：随着量子计算技术的迅速发展，现有密码体系面临被破解的风险，量子安全技术已成为信息安全发展的必然趋势。
• 实现路径：量子安全可通过两种主要技术路径实现，一是基于数学困难问题的抗量子计算密码算法（PQC），二是基于量子物理原理的量子密码（如QKD）。
• PQC与QKD的优劣：PQC算法基于数学难题，具有较高的灵活性和兼容性，但可能面临新的攻击手段；QKD基于量子物理特性，具有信息论安全性，但存在物理层面的安全挑战。
• 迁移与部署：信息系统需逐步向量子安全迁移，迁移过程涉及算法替换、密钥管理、系统评估等复杂环节，需要综合考虑X（信息保密时间）、Y（迁移时间）和Z（量子计算机构建时间）的关系。

关键信息

一、量子攻击催生量子安全

• 量子计算威胁：Shor和Grover算法分别对公钥密码和对称密码构成威胁，量子计算机在可预见的未来可能破解主流RSA、ECC等算法。
• 密码安全属性：包括机密性、完整性、真实性、不可否认性，密码系统安全性依赖于算法和密钥的双重保障。
• 密钥管理：密钥管理是密码系统安全性的基础，需要独立设计和严格保护，否则即使算法安全，整体系统也可能不安全。

二、量子安全技术与进展

• 抗量子计算密码（PQC）：

  • 格密码：基于格问题，如SVP（最短向量问题），被认为是PQC中最有力的候选者。NIST第三轮筛选中，多个格密码方案入选，如Kyber、Dilithium、Falcon等。
  • 基于编码理论的密码：如McEliece算法，其安全性基于纠错编码的困难性，但公钥尺寸较大。
  • 基于哈希函数的密码：如Merkle签名方案，安全性依赖哈希函数，SPHINCS+是当前NIST标准化的代表算法之一。
  • 多变量密码：基于多变量二次多项式，如Rainbow算法，但存在被破解的风险。
  • 基于超奇异椭圆曲线的密码：如SIKE算法，但已被攻破，安全性存疑。

• 量子密码：

  • 量子密钥分发（QKD）：通过量子态传输实现信息论安全的密钥分发，如BB84协议和纠缠测量方案，具有抗量子计算的潜力。
  • 量子安全特性：量子密码基于物理原理，具备内禀安全性，但需解决物理安全漏洞问题。

三、量子安全融合应用及其实现模式

• 融合方案：PQC与QKD结合，可实现更全面的量子安全，适用于多种应用场景。
• 用户端应用：包括身份认证、传输加密、密钥管理等，需设计算法敏捷性和安全接口。
• 密钥管理基础设施：需具备独立性、高安全性、抗攻击能力，以保障密钥生成、分发和存储过程的安全。

四、面向量子安全的迁移

• 迁移规划：需对现有系统进行全面评估，制定合理的升级策略，确保信息系统的安全性。
• 行业应用：
  • 金融行业：需关注RSA、ECC等算法的替代，以及QKD在密钥分发中的应用。
  • 电力行业：重点在于数据加密和通信安全，需考虑量子计算对现有系统的威胁。
  • 电信行业：需对量子计算可能带来的风险进行系统评估，并制定应对措施。
  • 区块链系统：需评估量子计算对区块链的潜在威胁，并设计适应量子安全的通信机制。

五、向量子安全迁移：一些开放性问题

• 最佳时机：需结合信息保密时间（X）和系统升级时间（Y）进行权衡。
• 最佳技术路线：需根据具体应用场景选择PQC或QKD，或两者的融合。
• 最佳实践：需在算法标准化、系统兼容性、密钥管理等方面进行综合考虑。
• 研究方向：包括量子算法攻击的防御、新型PQC算法的开发、量子密码的物理安全增强等。

附录与参考文献

• 附录1：QKD实际安全性相关的攻击方案和防御措施。
• 附录2：术语缩略语表。
• 参考文献：涵盖量子计算、密码学、量子通信等领域的研究成果和标准文档。

图表目录

• 图1：密码典型工作流程示意图。
• 图2：经典计算与量子Shor算法的计算复杂度对比。
• 图3：对称密码的量子计算攻击示意图。
• 图4：构建量子安全所需时间关系图。
• 图5：实现信息安全手段与作用模式示意图。
• 图6：Merkle签名方案原理图。
• 图7：BB84协议原理图。
• 图8：纠缠测量方案原理图。
• 图9：星地QKD网络中纠缠测量方案。
• 图10：量子隐形传态流程图。
• 图11：量子通信应用发展展望。
• 图12：全球量子通信领域专利申请人排名。
• 图13：量子保密通信产业链。
• 图14：CCSA关于量子保密通信标准建设路线图。

表格目录

• 表1：密码服务与密码体制的对应关系。
• 表2：Shor算法和Grover算法的对比。
• 表3：量子计算对经典密码的影响。
• 表4：PQC主要算法类型定性比较。
• 表5：NIST对PQC标准化的进展和计划。
• 表6：NIST第三轮入选PQC算法。
• 表7：NIST第三轮候补入选PQC算法。
• 表8：NIST第三轮筛选后拟制标算法。
• 表9：QKD分发模式分类。
• 表10：QKD调制模式分类。
• 表11：主要量子密钥分发协议分类。
• 表12：融合模式下的密码应用服务特性。
• 表13：融合模式下的密钥管理方案特性。
• 表14：2022年以来量子安全迁移主题的技术报告汇总。

总结

《量子安全技术蓝皮书》系统梳理了量子计算对传统密码体系的威胁，以及实现量子安全的技术路径和应用模式。PQC和QKD作为两种主要实现方式，各有优劣，需根据具体场景选择。同时，蓝皮书也强调了量子安全迁移的紧迫性与复杂性，呼吁行业和政策制定者提前布局，以确保信息安全在未来量子计算时代依然有效。