後量子密碼學標準化競賽
為了迎接後量子密碼學時代的來臨，美國國家標準與技術局（NIST）自 2016 年起舉辦「後量子密碼學標準化競賽」，吸引了來自全世界的團隊參賽一較高下，在這場競賽取得最終優勝者，將成為新一代的標準化密碼系統。最近，中研院資訊科學研究所楊柏因研究員的團隊以名為「Rainbow」的密碼學系統，通過了第一、二輪的考驗，於 2020 年成為進入決選的七組決勝者之一，距離成為世界標準，只剩一步之遙……
後量子密碼學時代
不論是網路購物，還是網路銀行的交易，我們在網路上的一舉一動，都依賴著嚴密的加密系統，保護我們的隱私不讓駭客從中盜取，守護我們的資訊安全。然而隨著量子電腦的發展，現行的加密系統卻面臨被破解的威脅。(有關目前的加密系統，請見研之有物另一好文〈量子電腦到底有多霸氣？即將引爆終極密碼戰？！〉)
因為當前加密系統的根基，都是一道複雜的數學難題，而主流的公鑰加解密系統，包括 RSA 加密演算法、橢圓曲線密碼系統，背後的數學難題複雜得讓古典電腦一籌莫展，卻正好是量子電腦最擅長解決的問題型態。
這些數學難題的答案，皆可轉化成週期性的結構。理論上，只要找到答案的週期，量子電腦就可以「較為輕鬆」的破解問題。
怎麼做？量子電腦的每個量子位元的數值是以機率呈現，意即每個位元會有一個最高機率的數值，代表這個位元最可能的數。研究者可針對以上答案具有周期性構造的數學函數，構造出相應的量子組態，使量子位元最高機率數值之間的差距，恰恰就是原本函數週期的整數倍 (例如：函數的週期是 4，量出來的差距可能是 4、8、12……。)接著，研究員只要測量這些差距，就能反推出函數的週期，破解古典密碼學加密系統所仰賴的數學難題！
全球密碼武林大會
幸好，加密系統不只一兩種，這就好像武俠小說中總會有武當派、峨嵋派等，各種派別都有自己的獨門招式，加密系統也根據數學難題結構分成好幾派，除了當紅的 RSA 加密演算法、橢圓曲線密碼系統外，還有晶格、偵錯修正碼、多變量二次函數、雜湊函數及超奇異橢圓曲線同源等等。
為了因應量子電腦即將引爆的終極密碼戰，美國國家標準與技術局（NIST）自 2016 年起舉辦「後量子密碼學標準化競賽」，就如同一場武林大會，要找出能夠抵禦量子電腦的武林盟主，做為後量子密碼學時代的新標準。不過最後的標準至少要有兩個，分別用在數位簽章和加解密，所以與賽者也就很自然分成兩組。
中研院資訊所楊柏因研究員所屬的團隊以名為「Rainbow」的密碼學系統，參與美國國家標準與技術局（NIST）自 2016 年起舉辦「後量子密碼學標準化競賽」，於 2020 年成為進入決賽的七個最終候選者 (Finalist) 之一。
圖│研之有物
武林大會的英雄帖一出，自然吸引了全世界的密碼學高手前來較勁，而中研院資訊所研究員楊柏因也是其一──他組了一個團隊，以 Rainbow 演算法參賽。在多變量二次函數這個派別，楊柏因也算是長老了，這一派的獨門絕技，就是多變量二次函數這個數學難題，也是楊柏因長期投入的主題。他和團隊也殺進了這場武林盛會中，而 Rainbow 這個難題的核心，是要解一個多變量方程組，其中包括 100 個變數，64 個二次方程組。
多變量二次函數問題的答案，沒有週期性結構，不是量子電腦擅長的難題，因此在後量子密碼學時代也能擁有很好的安全性。
演算法大亂鬥
武林大會的第一場比武是個大亂鬥── 69 組參賽者提出的演算法，必須接受彼此的攻擊，如果被破解，代表安全性不夠，在這個階段就會被淘汰。楊柏因形容：「過程很像練蠱，最強的才能從甕裡爬出來。」2017 年 12 月 21 號公布這 69 組演算法後，雖然緊接著美國的聖誕節，但才短短幾天，就有不少演算法被破解，「大概阿宅是不過節的。」楊柏因笑稱。在一番廝殺後，Rainbow 順利通過考驗，成為進入第二階段的 26 個參賽者之一。
第二場比武要看的則是演算法的性能。一個派別的武功如果到了深山或森林等特殊環境就難以施展的話，那便無法成為武林盟主。同理，NIST 要求晉級的團隊將自家演算法在一般電腦、計算能力較弱的微處理機、硬體晶片上，都要能順利運作，而且效果不能太差。楊柏因解釋：「我們在這階段要做的是，在能保證 Rainbow 安全性的情況下，找出讓它跑得最快的參數。」
事實上，通常密碼系統的複雜度都是可大可小的，所以一個跑得比較快的演算法，相當於可以修改成跑得跟其他演算法一樣快、但更安全的演算法。
在現在的密碼學上，速度基本上可以等同於安全性，效能愈高相當於實用上安全性愈好。
第二階段的比武仍舊沒有難倒 Rainbow，一路過關斬將，Rainbow 成了七個有資格站上決選擂台的候選者之一。此外，在中研院資訊科技創新研究中心，周彤助理研究員所屬團隊提出的 Classic McEliece 也和 Rainbow 一樣是 Finalist。在七組 Finalist 中，中研院就佔了兩組，整體表現可說是相當不錯呢。