量子计算机利用量子物理原理，以前所未有的速度求解复杂计算问题。与使用二进制"比特"（值只能为 0 或 1）的传统计算机不同，量子计算机使用量子比特（qubit）。量子比特的值可以是 0、1，或者 0 与 1 的量子叠加态。量子叠加态意味着量子比特可以同时持有 0、1 以及两者之间所有位置的值，从而使量子计算机能够并行处理大量信息。
量子计算机在质因数分解方面速度极快，而 RSA（Rivest-Shamir-Adleman）加密的安全性正是建立于此。量子计算机还能迅速求解离散对数问题，而这正是 ECC（椭圆曲线密码学）安全性的基础。根据全球风险研究所于 2024 年 1 月发布的《量子威胁时间线报告》，"目前尚无已知的根本性障碍阻止大规模量子计算的实现。"大多数专家一致认为，能够在数秒内破解 RSA 和 ECC 加密的量子计算机最早可能在 2030 年前研发成功。相比之下，以现有技术破解最新 RSA 标准可能需要数十亿年。
量子计算机还可通过 Grover 算法，将破解 AES、ARIA 等对称加密算法所需的时间缩短一半。因此，只要使用 256 位密钥（AES-256），对称加密算法仍被视为"量子安全"的。
量子计算技术的持续进步对现有密码体系构成重大威胁，而现有密码体系正是数字安全的基础，由此催生了一个关键研究领域——后量子密码学（PQC）。
理解后量子密码学
密码学可防止信息在网络传输或存储过程中遭到未经授权的访问，例如上传数据、在线购物或访问工作账户。其核心技术是使用加密算法将明文转换为密文，使其在没有加密密钥的情况下无法解密。
PQC 是一类量子计算机无法破解的加密算法。PQC 基于全新算法，可在现有计算机系统上实现，同时在量子计算机主导的未来世界中依然保持安全性。
后量子密码学利用新型数学技术，构建能够抵御量子计算机威胁的公钥加密系统。以下几种方案被认为具有抗量子能力：
- 基于格的密码学（Lattice-based Cryptography） — 依赖于 n 维空间中与格相关的复杂问题。由于格中的模式无限延伸且难以破解，该方案被认为能够抵御量子攻击。
- 基于编码的密码学（Code-based Cryptography） — 基于随机线性码的解码问题。McEliece 加密方案是其中一个典型示例。
- 基于哈希的签名方案（Hash-based Signature Scheme） — 以哈希函数为安全基础。有状态哈希签名方案从一对密钥开始，该密钥对应仅用于签署一条消息。LMS（Leighton-Micali 哈希签名）和 XMSS（扩展 Merkle 签名方案）是该方法的典型示例。
美国国家标准与技术研究院（NIST）处于后量子密码学运动的前沿，并于 2016 年发起竞赛，旨在标准化 PQC 算法。该流程对算法的安全性、性能及跨平台实用性进行了严格测试。目前，已选定四项标准：ML-KEM（Kyber）、ML-DSA（Dilithium）、SLH-DSA（SPHINCS+）和 FN-DSA（FALCON）。NIST 还标准化了两种有状态哈希签名方案：LMS 和 XMSS。这些算法将成为组织采用以抵御量子威胁、保障数据安全的基础。
后量子密码学对数据安全的影响
一旦量子计算机落入对手之手，网络银行、虚拟专用网络（VPN）和关键基础设施将面临严重威胁。若系统未能升级以采用 PQC 算法，大规模数据泄露事件极有可能发生。RSA 和 ECC 算法易受攻击，使对手能够解密数据并伪造签名，进而导致数据篡改、身份盗窃等后果。
PQC 算法（例如 NIST 标准化的基于格的密码学算法）可保障敏感数据的长期安全。基于哈希的签名方案亦支持量子安全的数字签名。这些算法使协议和系统能够抵御量子攻击，帮助通信信道保持安全。
量子技术时代正在迅速到来，后量子密码学的重要性不可低估。开发和采用稳健的抗量子算法，是保护未来敏感信息的根本所在。
向后量子密码算法的过渡可能较为复杂，涉及在确保现有系统高效实施的同时开发安全算法。企业和公众需要拓展对 PQC 的认知与理解，以确保及时采用。
FPGA 与后量子密码学
FPGA 具备低功耗、高速度、灵活性强和高性能等优势，使其成为加速 PQC 算法的理想选择。FPGA 可根据特定方案进行定制，充分发挥可重构性和并行处理等独特特性。
对于网络安全、硬件安全模块及安全通信等应用场景，基于 FPGA 的密码原语实现可提供低延迟和高吞吐量。
由于 FPGA 可通过重新配置来实现各种 PQC 算法，组织能够使其硬件具备前瞻性，有效应对量子计算带来的潜在威胁。
莱迪思为组织提供安全的 FPGA 平台及产品，包括：Lattice Sentry™ 解决方案栈、Lattice Avant™ 中端 FPGA 平台和 Lattice Nexus™ 小型 FPGA 平台，上述产品均符合不断提升的安全标准，并支持快速采用 PQC。
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