文章总结： 量子计算发展对传统加密构成严重威胁，Shor算法可破解非对称加密如RSA和ECC，Grover算法使对称加密安全强度减半。先窃取后解密的攻击模式已存在，当前加密数据可能在未来被量子计算机破解。为应对此挑战，NIST已标准化抗量子算法如Kyber，这是一种基于格理论的密钥封装机制，能抵御量子攻击，与传统数字信封相比具有更强的抗量子安全性。
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文章分类： 数据安全,网络安全,AI安全

量子安全简单介绍

原创

YangYang

YY的黑板报

2025年12月6日 08:56
天津

随着量子计算技术的飞速发展，我们习以为常的网络安全体系正站在一场革命的边缘。前面简单介绍了抗量子算法——Kyber，这里咱们用简单的白话语言来简单介绍下量子是个啥东西？

量子

量子其实也没有多神秘，在传统计算模式下，大家都知道是 0 和 1 构成的计算世界，但在量子世界中，除了 0 和 1 之外，还有 0 和 1 的叠加态，想象一枚硬币，正常情况下它要么正面朝上，要么反面朝上。但在量子世界里，这枚硬币可以同时是正面和反面！

题外话：还有市面上出现的量子鞋垫、量子理疗等概念，纯骗人的。

量子对传统加密的挑战

目前，绝大多数网络通信都依赖两种主流加密方式：

• 对称加密

  （如AES）：加密和解密使用同一把密钥，速度快，常用于数据传输。

• 非对称加密

  （如RSA、ECC）：使用公钥加密、私钥解密，解决了密钥分发问题，是HTTPS、数字签名等安全协议的基石。

这些算法的安全性，建立在某些数学难题的“计算困难性”之上。例如，RSA依赖于大整数分解难题——将两个大质数相乘很容易，但反过来从乘积中分解出原始质数，在经典计算机上几乎不可能在合理时间内完成。

正因如此，今天的银行系统、政府通信、甚至区块链都依赖这些算法构建信任。

然而，1994年，数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出了著名的Shor算法，它可以在量子计算机上高效地完成大整数分解和离散对数运算——这意味着，一旦实用化的量子计算机问世，RSA、ECC等主流非对称加密将瞬间失效。

不仅如此，Grover算法也让对称加密的安全强度减半。例如，原本需要暴力尝试2¹²⁸次才能破解的AES-128，在量子计算机下只需约2⁶⁴次——虽然仍很困难，但已不再“绝对安全”。

好消息是：大规模容错量子计算机尚未诞生。目前最先进的量子设备仅有几百个量子比特，且错误率高，远不足以运行Shor算法破解真实世界的密钥。

但坏消息是：“先窃取，后解密”（Harvest Now, Decrypt Later）的攻击模式已经存在。黑客现在就可以截获并存储加密数据，等到未来量子计算机成熟时再解密——这意味着，今天看似安全的机密信息，可能在十年后彻底暴露。

美国国家标准与技术研究院（NIST）早在2016年就启动了后量子密码（Post-Quantum Cryptography, PQC）标准化项目，并于2022–2024年间陆续公布了首批抗量子加密算法标准，包括：

• CRYSTALS-Kyber

  （用于密钥封装）

• CRYSTALS-Dilithium

  、FALCON、SPHINCS+（用于数字签名）

这些新算法基于格理论、哈希函数、编码理论等，被认为能抵御经典和量子计算机的攻击。

Kyber密钥封装

先说下数字信封，简单来说，就是 A 把自己的保险柜给你，你将家里的门钥匙放在保险柜里面，把保险柜给到 A，即使保险柜在中途被人偷了，也拿不到你家门钥匙，你拿到保险柜后用你的钥匙打开，拿到 A 的家门钥匙。

那么基于这个我们看下 Kyber 的流程，相对于数字信封来说还不太一样：

# 步骤 1: 接收者生成密钥对
public_key, secret_key = Kyber512.keygen()

# 步骤 2: 接收者发送public_key给发送者
# 步骤 3: Kyber 封装：输入公钥，输出密文(ciphertext)和共享密钥(shared_key)
    shared_key_sender,ciphertext_kyber = Kyber512.encaps(public_key)
# 步骤4：派生对称密钥
    digest = hashes.Hash(hashes.SHA256(), backend=default_backend())
    digest.update(shared_key_sender)
    aes_key = digest.finalize() # 确保是 32 字节
# 步骤5：对称加密数据
# 步骤6：把 Kyber 密文ciphertext_kyber、数据密文打包发给接收者
# 步骤7：用Kyber私钥 解封装，还原共享密钥
shared_key_receiver = Kyber512.decaps(secret_key, ciphertext_kyber)
# 步骤8：派生对称密钥
    digest = hashes.Hash(hashes.SHA256(), backend=default_backend())
    digest.update(shared_key_sender)
    aes_key = digest.finalize() # 确保是 32 字节
# 步骤9：解密数据

这样看这个标准就简单理解了，简单对比下：

| 维度 | Kyber 封装（KEM） | 数字信封 |
| — | — | — |
| 本质 | 密钥封装机制（KEM） | 混合加密模式（KEM + 对称加密） |
| 是否生成密钥 | 是，双方协商出一个随机共享密钥 | 是，发送方生成对称密钥 |
| 是否直接加密数据 | ❌ 不加密应用数据，只输出密钥和封装密文 | ✅ 加密数据（通过对称加密） |
| 依赖的公钥密码 | 基于格（LWE/ML-KEM），抗量子 | 通常基于 RSA 或 ECC（易受量子攻击） |
| 安全性目标 | IND-CCA2（在量子攻击下仍安全） | 依赖底层公钥算法（如 RSA-OAEP） |
| 标准化状态 | NIST PQC 标准（FIPS 203，ML-KEM） | 广泛用于 TLS、S/MIME、PGP 等传统协议 |
| 输出内容 | (ciphertext c, shared key K) | (encrypted data C, encrypted key E(K)) |
| 使用场景 | 后量子安全的密钥交换（如 PQ-TLS） | 安全邮件、文件加密、传统 TLS 握手 |

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本文转载自：YY的黑板报 YangYang《量子安全简单介绍》