開發(fā)算法，他讓密碼無懼量子計算威脅

“現(xiàn)在用的密碼算法，特別是公鑰密碼算法，在量子計算機出現(xiàn)以后，會有被破解的風(fēng)險。我們正在試著開發(fā)一些新的密碼算法，使它們在量子計算機出現(xiàn)之后，依舊可以被使用，無懼量子計算威脅。”說起“后量子密碼”，南京航空航天大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師劉哲語速飛快。

0和1，兩個簡單到極致的數(shù)字，由它們構(gòu)筑起的密碼世界，如今幾乎是劉哲人生的全部。

近年來，劉哲首次將可抵抗量子攻擊的格密碼算法，應(yīng)用在嵌入式芯片上，并且提出了輕量級策略來抵抗側(cè)信道攻擊，為我國設(shè)計下一代適合物聯(lián)網(wǎng)的密碼算法提供了實踐依據(jù)。

前不久，阿里巴巴達(dá)摩院揭曉第二屆青橙獎獲獎名單。劉哲憑其在密碼算法與系統(tǒng)領(lǐng)域取得的成果，捧起了該獎的獎牌。

最初連開機都戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢

2004年9月，劉哲以優(yōu)異的成績考入山東大學(xué)。對于鄉(xiāng)村的孩子來說，計算機是個稀罕物，劉哲連見都沒見過幾次，但在強烈好奇心的驅(qū)使下，他選擇了計算機和軟件工程專業(yè)。

對于計算機這個新生事物，劉哲起初有點發(fā)怵，“剛開始連開機都戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢”。

2004年，對中國密碼學(xué)領(lǐng)域來說，是一個特殊的年份。這一年，山東大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士王小云破解了國際著名密碼算法MD5，這在18歲的劉哲心里種下了密碼學(xué)的種子。

“這一研究結(jié)果轟動了整個密碼學(xué)界，密碼學(xué)第一次真正進入了我的視野，它就像‘設(shè)謎’和‘猜謎’一樣，其樂無窮。”劉哲自此對密碼世界著了迷，他開始惡補密碼學(xué)知識，學(xué)習(xí)晦澀的公式，并在4年后讀研時選擇了密碼學(xué)方向，后赴盧森堡大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，物聯(lián)網(wǎng)安全成為網(wǎng)絡(luò)空間安全領(lǐng)域的一個研究熱點。

如何提高物聯(lián)網(wǎng)芯片的安全性？2014年，劉哲設(shè)計了一種適用于物聯(lián)網(wǎng)芯片的輕量級MoTE橢圓曲線算法，并設(shè)計、實現(xiàn)、開源了基于該曲線的密碼庫。

MoTE曲線算法在多個方面，優(yōu)于現(xiàn)有適用于物聯(lián)網(wǎng)芯片上的橢圓曲線算法。“MoTE橢圓曲線可在資源受限的物聯(lián)網(wǎng)芯片上，更高效、更節(jié)能地保護數(shù)據(jù)，保障物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全，同時也為我國設(shè)計適合物聯(lián)網(wǎng)的密碼算法提供了實踐依據(jù)。”劉哲說。

為量子時代的密碼筑起護城河

量子計算機何時才能出現(xiàn)，學(xué)界尚沒有準(zhǔn)確的預(yù)測，但不少學(xué)者認(rèn)為，如果不采取預(yù)防措施，量子計算可能會給網(wǎng)絡(luò)安全帶來威脅。劉哲的另外一個研究方向，便是設(shè)計能在量子時代使用的密碼算法，這類密碼算法被稱為后量子密碼算法。

“剛開始接觸后量子密碼時，發(fā)現(xiàn)相關(guān)算法比較難實現(xiàn)，特別是在嵌入式設(shè)備，例如無線傳感點、智能卡、手機等移動設(shè)備上。其難點在于嵌入式設(shè)備處理器的計算性能比較差，內(nèi)存比較小，而后量子密碼算法需要較大的內(nèi)存。”劉哲說。

后來，劉哲在閱讀大量文獻后，利用處理器的結(jié)構(gòu)特性，重構(gòu)算法，設(shè)計出新的運行流程，減少內(nèi)存和處理器之間的數(shù)據(jù)交換次數(shù)，以提高運算速度，減少內(nèi)存的占用量，并首次高效地把可以抵抗量子攻擊的格密碼實現(xiàn)在嵌入式芯片上。該成果論文在密碼工程領(lǐng)域頂級會議——密碼硬件與嵌入式系統(tǒng)國際會議（CHES）上發(fā)表。

劉哲說，該研究成果已被收錄進歐盟地平線2020項目的年度報告里，并受到了多位國際密碼學(xué)家的肯定。

回國后，劉哲與中國科學(xué)院信息工程研究所信息安全國家重點實驗室的研究人員合作，將我國自主設(shè)計的格密碼算法LAC實現(xiàn)在各類嵌入式芯片上，為LAC密碼算法參與國際密碼標(biāo)準(zhǔn)競爭提供重要支撐。

曾質(zhì)疑自己的科研能力

劉哲的科研之路并非一帆風(fēng)順。他坦言，自己的第1篇學(xué)術(shù)論文曾被拒3次，前后歷時1年才得以發(fā)表。“那時曾對自己充滿質(zhì)疑，不知自己究竟是否適合讀博。”

那時，劉哲的導(dǎo)師、盧森堡大學(xué)教授基恩·塞巴斯蒂安·科隆對他進行了開導(dǎo)，讓他明白，論文暫時不被認(rèn)可并不代表科研工作不被認(rèn)可。

此后，劉哲依然保持每天12小時、每周工作6天的工作節(jié)奏，常常半夜起來寫論文。付出總有回報，最終他在畢業(yè)時，獲得盧森堡國家自然科學(xué)基金委當(dāng)年授予的、唯一的杰出博士畢業(yè)論文獎，也成為首位獲得該獎項的中國人。

面對量子計算時代的挑戰(zhàn)和萬物互聯(lián)的時代需求，劉哲希望自己能設(shè)計出安全性好、性能優(yōu)、代碼量小的后量子密碼算法，推動我國后量子密碼算法標(biāo)準(zhǔn)的制定。

近年來，劉哲已帶領(lǐng)南京航空航天大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全團隊在密碼工程、物聯(lián)網(wǎng)安全、區(qū)塊鏈技術(shù)、人工智能安全等領(lǐng)域取得了一系列突出的研究成果，在國際安全會議上3次獲得最佳論文獎。未來，他希望能將自己的研究成果應(yīng)用于國家電網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。