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摘要：RSA加密算法和DES加密算法是金融信息加密的基石，而隨著具有強(qiáng)大并行計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)的研究應(yīng)用，破解加密密鑰成為可能。這將對(duì)金融機(jī)構(gòu)的信息安全帶來嚴(yán)重威脅，甚至造成整個(gè)金融系統(tǒng)的癱瘓。本文從量子計(jì)算機(jī)的研究現(xiàn)狀著手，分析量子計(jì)算機(jī)可能對(duì)金融信息安全體系造成的威脅，并從數(shù)學(xué)層面和物理層面提出了傳輸層安全協(xié)議和量子通信技術(shù)兩種應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：量子計(jì)算機(jī)；金融信息安全體系；傳輸層安全協(xié)議；量子通信技術(shù)

一、研究現(xiàn)狀

量子計(jì)算的理論起源于1981年美國著名研究學(xué)者PaulBenioff。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特狀態(tài)只存在0和1兩個(gè)固定的值不同，量子計(jì)算機(jī)具有獨(dú)特的基本單位——量子比特，這種比特位表示的是0和1的量子疊加狀態(tài)，相對(duì)而言能夠存儲(chǔ)更多的信息。量子計(jì)算機(jī)最引人注目的特點(diǎn)是其強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，其是基于量子力學(xué)實(shí)現(xiàn)的，在計(jì)算函數(shù)時(shí)通過幺正變換直接得到結(jié)果，真正意義上實(shí)現(xiàn)了可逆計(jì)算，解決了傳統(tǒng)計(jì)算存在的散熱問題。迄今為止，量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)方案有離子阱方案、冷原子方案、超導(dǎo)方案、量子點(diǎn)方案、核磁共振NMR方案等。其中，離子阱系統(tǒng)和超導(dǎo)系統(tǒng)最為流行和成熟。離子阱系統(tǒng)最早用于物理實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。常規(guī)的離子阱將若干離子禁錮在線性阱中，把離子的兩個(gè)內(nèi)能級(jí)當(dāng)做量子比特位中的0和1，將激光作用于相應(yīng)的離子上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)量子比特位的操作。超導(dǎo)系統(tǒng)是目前最有希望實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的量子計(jì)算機(jī)物理實(shí)現(xiàn)方案，其用超導(dǎo)相位、超導(dǎo)磁通量等物理量表示0和1。超導(dǎo)系統(tǒng)比較容易增加量子比特位的數(shù)目，且可擴(kuò)展性很好。同時(shí)，通過控制參數(shù)可以靈活地制備出需要的初態(tài)，且超導(dǎo)系統(tǒng)更易讀出計(jì)算結(jié)果，但只能維持短暫的相干時(shí)間①。近年來，量子計(jì)算機(jī)并非僅停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段，部分產(chǎn)品已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)走向商業(yè)應(yīng)用。2011年，加拿大的D-wave公司推出第一個(gè)商用的基于超導(dǎo)體系的量子退火計(jì)算機(jī)，并通過基于絕熱理論的量子退火算法解決了128個(gè)變量的最優(yōu)化問題。兩年后，D-wave公司同NASA，Google共同研制出能夠處理512個(gè)量子位元的D-WaveTwo量子計(jì)算機(jī)。2017年，IBM對(duì)外公布稱已成功研制出了具有50個(gè)量子比特位的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，平均相干時(shí)間達(dá)到了90微秒。2018年，谷歌在美國物理學(xué)會(huì)上了最新一代量子計(jì)算機(jī)Bristlecone，其量子比特位達(dá)到了72位，錯(cuò)誤率只有1%。

二、量子計(jì)算機(jī)對(duì)金融信息安全體系的威脅

量子計(jì)算機(jī)對(duì)金融信息安全體系的威脅主要源于其強(qiáng)大的并行算力。信息安全是現(xiàn)代金融系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，不論是股票交易，還是銀行轉(zhuǎn)賬，都離不開信息安全的保障。如何保障現(xiàn)代金融系統(tǒng)的信息安全，一直是金融界關(guān)注的問題。然而，即使金融系統(tǒng)間的信息傳遞使用保密專線來完成，也不能保證完全的物理隔離，被窺探的風(fēng)險(xiǎn)依舊存在。因而，較為保險(xiǎn)和實(shí)際的辦法是對(duì)通信報(bào)文先加密再傳輸。這樣一來，即使報(bào)文被劫持、竊聽，攻擊者只能得到一堆無意義的亂碼，無法竊取其中的交易信息。目前，金融系統(tǒng)中常用的加密算法有RSA加密和DES加密。RSA加密算法被廣泛應(yīng)用于金融信息系統(tǒng)通信加密和身份認(rèn)證；DES算法常用于POS機(jī)、IC卡和ATM等場(chǎng)景。銀行等金融機(jī)構(gòu)通常通過增加RSA和DES的密鑰長度來增加攻擊者的破解時(shí)間和難度，以此保證金融系統(tǒng)的信息安全。量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大并行計(jì)算可以突破現(xiàn)有的技術(shù)極限，幾個(gè)月甚至幾天內(nèi)破解出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)幾百年才能破解的RSA/DES密鑰。利用破解出的私鑰，攻擊者能肆意竊取銀行、證券、保險(xiǎn)等金融機(jī)構(gòu)的交易信息，從而全面威脅金融系統(tǒng)的信息安全。更嚴(yán)重的情況是，攻擊者利用私鑰可以冒充私鑰擁有者虛假報(bào)文，徹底破壞現(xiàn)有的數(shù)字簽名認(rèn)證體系。而大量虛假報(bào)文的將有可能使整個(gè)國家的金融系統(tǒng)癱瘓，引發(fā)社會(huì)動(dòng)蕩。為了保護(hù)金融信息的安全，除了需要對(duì)各種機(jī)密算法進(jìn)行升級(jí)改造和提高相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，在目前的機(jī)密體系中，絕對(duì)安全地分發(fā)密鑰至關(guān)重要。迄今，密鑰分發(fā)方式主要由密碼卡和密鑰協(xié)商的形式實(shí)現(xiàn)，這極大地加大了密鑰泄露的可能性。

三、應(yīng)對(duì)措施

目前，雖沒有研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)宣布其研制的量子計(jì)算機(jī)能夠破解RSA加密算法的密鑰，但絕不能低估量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度。金融行業(yè)要采取有效的措施防范量子計(jì)算機(jī)對(duì)金融信息安全體系造成的威脅，將可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)扼殺于萌芽狀態(tài)。本文基于數(shù)學(xué)層面和物理層面提出兩點(diǎn)防范措施，具體如下。

（一）傳輸層安全協(xié)議——TLS

TLS協(xié)議是在數(shù)學(xué)層面上尋找不能被量子計(jì)算機(jī)破解的加密算法，通過求解一個(gè)數(shù)學(xué)問題來產(chǎn)生密鑰。TLS協(xié)議采用主從式架構(gòu)模型，在客戶端和服務(wù)器開始交換TLS所保護(hù)的加密信息之前，安全地交換或協(xié)定加密密鑰和加密數(shù)據(jù)要使用的密碼。密鑰交換的方法包括：TLS_RSA，TLS_DH，TLS_DHE，TLS_ECDH，TLS_ECDHE，TLS_DH_anon和TLS_PSK。其中，TLS_DHE和TLS_ECDHE具有前向保密能力，能有效地驗(yàn)證服務(wù)器和用戶。目前還不確定TLS協(xié)議能否有效防止量子計(jì)算機(jī)被破解，這需要眾多數(shù)學(xué)專家對(duì)這一協(xié)議進(jìn)行更多更深入的研究。可喜的是研究團(tuán)隊(duì)聲稱到目前為止，還未找到能快速破解TLS協(xié)議中生成密鑰的量子算法捷徑。因此，可以大膽預(yù)測(cè)，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)時(shí)，采用TLS協(xié)議的信息安全體系能夠在一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)對(duì)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的威脅。

（二）量子通信技術(shù)

量子通信具有絕對(duì)保密的特性，其在物理層面上對(duì)通信進(jìn)行了加密。量子通信是指通過量子糾纏效應(yīng)傳遞信息的一種全新的通信方式，其主要包括量子密鑰分發(fā)和量子態(tài)隱形傳輸。量子態(tài)隱形傳輸通過對(duì)處于量子糾纏的粒子的分發(fā)和聯(lián)合測(cè)量，實(shí)現(xiàn)粒子量子態(tài)信息的超距瞬時(shí)傳輸，傳輸過程只傳輸信息而不傳輸粒子本身，這使得量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)能夠在惡劣的信道中，通過糾纏純化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)不受干擾的高質(zhì)量通信。且當(dāng)量子在傳輸過程中受到監(jiān)測(cè)、監(jiān)聽等干擾時(shí)，量子態(tài)將發(fā)生改變，產(chǎn)生坍塌效應(yīng)，從而破壞原有的信息，使其失去原有的價(jià)值。量子通信的關(guān)鍵技術(shù)是量子密鑰分發(fā)技術(shù)，該技術(shù)解決了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)加密體系上傳輸不安全、難以實(shí)現(xiàn)多用戶密鑰管理以及密鑰更新慢等問題，還可以降低信道竊聽、信息劫持等威脅發(fā)生的可能性，較大程度地提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

四、總結(jié)

目前，量子通信技術(shù)還未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的商用，世界上也不存在真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)對(duì)信息安全體系的巨大威脅只是出于理論和實(shí)驗(yàn)上的推論，但量子計(jì)算機(jī)的算力是否存在上限還未有定論，量子計(jì)算機(jī)的潛力不容忽視。金融機(jī)構(gòu)要正視潛在的威脅，積極采取應(yīng)對(duì)措施，切實(shí)保障金融信息系統(tǒng)的安全，維持金融體系的穩(wěn)定，為國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供有力的保障。

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作者:張春艷 趙權(quán) 楊紫 單位:中國人民銀行海口中心支行