59、未来计算技术：量子、DNA与加密挑战

未来计算技术：量子、DNA与加密挑战

1. 量子计算与加密挑战

量子计算的发展正引发加密领域的深刻变革。谷歌的算法实现了特定计算任务的量子优越性，预示着新计算范式的到来。然而，IBM对此提出异议，认为最先进的经典超级计算机完成该任务只需2.5天，而非10000年。截至2020年5月，IBM拥有18台量子计算机，霍尼韦尔有6台，谷歌有5台。

为应对量子计算机对通信加密的威胁，有两种主要方法：一是建立量子密钥分发网络；二是用抗量子计算机攻击的算法取代现有算法。美国国家安全局（NSA）和美国国家标准与技术研究院（NIST）正推动这一转变。

1.1 NSA的举措

NSA于2015年8月19日推出“商业国家安全算法套件（CNSA套件）”，作为应对量子威胁的权宜之计。该套件并非包含新算法，而是沿用了如AES、椭圆曲线方案、SHA、Diffie - Hellman和RSA等流行方案，但提高了RSA的地位并舍弃了DSA。保留算法的主要变化是密钥尺寸大幅增大，例如Diffie - Hellman密钥交换需“最小3072位模数以保护绝密信息”。

同时，NSA意识到椭圆曲线密码学并非长期解决方案，因为量子计算研究的进展表明其无法抵御未来量子计算机的攻击。这一更新引发了诸多猜测，椭圆曲线密码学的共同发现者Neal Koblitz指出，“后量子密码学”的一个领先候选方案基于椭圆曲线，但与传统椭圆曲线密码学（ECC）的方式截然不同，即Jao等人提出的“同源性方法”。

1.2 NIST的响应

NIST于2016年12月20日宣布举办一场竞赛，旨在寻找能取代易受量子计算机攻击的三种加密标准和指南的算法，涉及加密、密钥建立和数字签名，均采用公钥密码学形式。

所有符合NIST要求的提交者将受邀在2018年初的研讨会上展示其算法，随后进入评估阶段，预计需三到五年完成。截至目前，仍处于多轮评估阶段。最初收到的82份提交中，26份进入第二轮，2019年1月30日公布了这些半决赛选手。2020年7月22日，NIST宣布了7名第三轮决赛选手和8名候补选手，但最终获胜者尚不明朗。

大多数提出的抗量子系统较为复杂，参数选择标准不明确，部分系统（如NTRU）早期版本曾遭受成功攻击。

1.3 预测

过去有许多聪明且成功的人做出过不准确的预测。此前曾预测“到2040年，量子计算机将成为现实，需要彻底重新思考加密方式”，现在提出更大胆的预测：到2050年，能弯曲时空的计算机将成为现实（如果尚未实现的话）。

2. DNA计算的兴起

2.1 Len Adleman与DNA计算的起源

Len Adleman，RSA中的“A”，还因提出“计算机病毒”一词而闻名。他的研究生Fred Cohen于1983年在可控条件下释放了首个计算机病毒。

20世纪90年代，Adleman将计算科学与生物学相结合，提出DNA可替代传统计算方式，尤其适用于大规模并行处理的计算。他通过解决有向哈密顿路径问题的一个实例，展示了DNA计算的概念。

2.2 有向哈密顿路径问题

有向哈密顿路径问题可想象为地图上的位置（顶点）和连接它们的道路（边），部分边为单向。给定起始顶点$v_{in}$和结束顶点$v_{out}$，任务是找到一条经过所有其他顶点恰好一次的路径。该问题是NP完全问题，小规模示例可手工解决，但一般情况下没有已知的多项式时间解决方案。

2.3 DNA计算解决有向哈密顿路径问题的步骤

• 生成寡核苷酸 ：随机选择碱基形成DNA链，标记为$O_0$、$O_1$、$O_2$、$O_3$、$O_4$、$O_5$和$O_6$，这些链是DNA“梯子”的一半，称为寡核苷酸。例如：
  • $O_2 = TATCGGATCGGTATATCCGA$
  • $O_3 = GCTATTCGAGCTTAAAGCTA$
  • $O_4 = GGCTAGGTACCAGCATGCTT$
• 形成互补链 ：根据A与T互补、G与C互补的原则，形成每条链的Watson - Crick互补链。例如：
  • $\overline{O_2} = ATAGCCTAGCCATATAGGCT$
  • $\overline{O_3} = CGATAAGCTCGAATTTCGAT$
  • $\overline{O_4} = CCGATCCATGGTCGTACGAA$
• 创建边的表示 ：边$O_{i→j}$通过取$O_i$的后半部分并附加$O_j$的前半部分来创建。例如：
  • $O_{2→3} = GTATATCCGAGCTATTCGAG$
  • $O_{3→4} = CTTAAAGCTAGGCTAGGTAC$
• 形成潜在解决方案 ：将代表顶点和边的寡核苷酸放在一起，它们会通过碱基互补配对形成键，代表图中的路径。当制备包含大量这些寡核苷酸副本的DNA“汤”时，键合会迅速形成有向哈密顿路径问题的潜在解决方案。
• 筛选有效解决方案 ：通过选择适当长度的DNA片段，过滤出有效解决方案（如果存在）。

2.4 DNA计算的优势与挑战

DNA计算的优势在于其实际运行时间极短，操作速度比当前超级计算机快千倍以上，效率大幅提高且存储空间减小。此外，DNA计算不限于特定类型的问题，例如可以通过DNA编码所有可能的密钥来破解DES加密。

然而，目前DNA计算的设置和最终解释过程耗时较长。Adleman的小示例虽简单，但实验室工作仍需一周。不过，随着实验室技术的改进，其实际应用前景值得期待。

2.5 DNA计算机的发展历程

如同传统计算机从解决特定问题的专用机器发展为“通用”可编程机器一样，DNA计算机也经历了类似的发展。2002年，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员提出了可编程DNA计算机，它在速度、效率和存储容量方面优于传统机器，但功能有限。2008年，Melina Kramer等人创建了混合设备，结合了生物组件和传统硅基芯片，使生物组件在其优势领域发挥作用，同时保留传统硅技术处理更适合的任务。

2.6 对未来的展望

很难预测DNA计算技术将走向何方。Adleman认为，随着越来越多的研究领域数学化，一个人理解多个学科的能力变得更加可行，下一代可能会产生真正的通才科学家，能够同时为物理、化学和生物学做出贡献。数学家Andrew Wiles也指出，数学看似分散，但随着时间推移，当前的方法和证明将被简化，人们将以更统一的方式理解它，就像现在高中生学习微积分在17世纪不可想象，但如今已成为常规一样。

以下是DNA计算解决有向哈密顿路径问题的流程：

graph LR
    A[生成寡核苷酸] --> B[形成互补链]
    B --> C[创建边的表示]
    C --> D[形成潜在解决方案]
    D --> E[筛选有效解决方案]

总之，量子计算和DNA计算的发展为加密领域带来了挑战和机遇，未来的加密技术需要不断创新和适应这些新兴技术的发展。

3. 量子计算与DNA计算的对比分析

3.1 性能对比

计算类型	解决问题能力	运行时间	存储需求
量子计算	对特定计算任务实现量子优越性，如谷歌的实验	因具体任务而异，可能大幅缩短某些复杂问题的计算时间	需特定量子比特存储，技术要求高
DNA计算	适用于大规模并行处理，如解决有向哈密顿路径问题	实际运行时间极短，但设置和解释耗时	所需存储空间小

从解决问题的能力来看，量子计算侧重于特定复杂计算任务的突破，而DNA计算则在大规模并行处理问题上展现优势。运行时间方面，量子计算在合适的任务中可快速得出结果，DNA计算虽然实际运行快，但前期准备和后期解读工作耗时。存储需求上，DNA计算具有明显优势，仅需少量空间存储DNA分子。

3.2 技术成熟度对比

• 量子计算 ：目前仍处于发展阶段，虽然已经有一些实验实现了量子优越性，但距离广泛应用还有很长的路要走。面临着量子比特的稳定性、纠错等技术难题。
• DNA计算 ：同样处于早期阶段，实验室技术还需要进一步完善。例如，在解决有向哈密顿路径问题的小示例中，实验操作就需要一周时间。不过，随着技术的发展，其应用前景值得期待。

3.3 对加密领域的影响对比

• 量子计算 ：对现有加密算法构成严重威胁，促使NSA和NIST等机构推动抗量子算法的研究和发展。
• DNA计算 ：也可能对当前加密算法造成冲击，如可以通过并行处理尝试所有可能的密钥来破解加密。但由于其技术还不够成熟，目前影响相对较小。

4. 应对新兴计算技术的策略

4.1 加密算法的更新

为了应对量子计算和DNA计算带来的挑战，需要更新现有的加密算法。可以采取以下步骤：
1. 研究抗量子算法 ：NSA推出的CNSA套件虽然是权宜之计，但也反映了对量子威胁的重视。继续研究和开发更强大的抗量子算法，如NIST举办竞赛寻找新的加密标准。
2. 评估算法安全性 ：对新提出的算法进行严格的安全性评估，确保其能够抵御量子和DNA计算的攻击。
3. 逐步替换现有算法 ：在合适的时机，逐步用新的抗量子和抗DNA计算的算法替换现有的加密算法。

4.2 技术融合与创新

可以考虑将不同的计算技术进行融合，发挥各自的优势。例如，将量子计算和DNA计算与传统计算技术相结合，创造出更强大的计算系统。同时，鼓励跨学科的研究和创新，培养能够理解和应用多种技术的人才。

4.3 建立安全体系

建立更加完善的安全体系，不仅仅依赖于加密算法。可以结合访问控制、身份验证、数据备份等多种安全措施，提高系统的整体安全性。

以下是应对新兴计算技术的策略流程：

graph LR
    A[加密算法更新] --> B[研究抗量子算法]
    A --> C[评估算法安全性]
    A --> D[逐步替换现有算法]
    E[技术融合与创新] --> F[计算技术融合]
    E --> G[跨学科研究创新]
    H[建立安全体系] --> I[结合多种安全措施]
    B --> J[应对新兴计算挑战]
    C --> J
    D --> J
    F --> J
    G --> J
    I --> J

5. 总结与展望

量子计算和DNA计算作为新兴的计算技术，为加密领域带来了前所未有的挑战和机遇。量子计算的发展可能使现有的加密算法变得脆弱，而DNA计算则以其大规模并行处理的能力展示了破解加密的潜力。

在未来，我们需要密切关注这些技术的发展动态，积极推动加密算法的更新和创新。同时，加强跨学科的研究和合作，培养具有综合能力的人才，以应对不断变化的安全需求。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的加密技术将能够更好地抵御新兴计算技术的攻击，保障信息的安全。

虽然目前很难准确预测量子计算和DNA计算的发展速度和最终影响，但可以确定的是，它们将深刻改变我们对计算和加密的认识。我们应该以开放的心态迎接这些挑战，积极探索新的解决方案，为未来的信息安全奠定坚实的基础。