量子计算正在高速地发展，一旦量子计算强大到足以破解保护每个人的数字隐私的代码，那么这个世界将需要新一代的密码算法。

基于这样的需求，英特尔团队开发了基于比特翻转密钥封装技术（BIKE）的抗量子密码算法的改进版本，可以在构成物联网的智能家居和工业设备上，更加高效强大地进行工作。

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图1｜免受量子计算机威胁的竞赛已成为主流（来源：NIST）

比特翻转密钥封装技术（BIKE）提供了一种创建共享密钥的方法，该共享密钥对两个设备之间交换的敏感信息进行加密。

其加密过程并不简单，涉及许多复杂的数学问题，这可能使多数物联网（IoT）设备的硬件承受一些压力。但是英特尔研究人员想出了创建硬件加速器的办法，使得BIKE软件可以在功能较弱的硬件上高效运行。

BIKE在轻量级的物联网设备上运行时，会发生大量的延迟及功耗，而本文提出的BIKE硬件加速器设备，展示了BIKE在物联网级设备上的可行性。

据英特尔对外称，他们一直在与其他几家公司合作开发BIKE软件，将其作为一种可行的抗量子算法，目前正处于美国国家标准与技术研究院正在评估的众多算法之中。

英特尔团队也在今年10月13日，向IEEE量子计算与工程国际会议[1]提交了他们关于最新版本的BIKE开发的研究论文[2]。

BIKE的运行“三部曲”

BIKE通过三个步骤安全地在两个设备之间建立了共享密钥。

首先，主机设备创建一个“公钥-私钥”对，并将”公钥“发送给客户端；

其次，客户端使用”公钥“向主机发送加密信息；

最后，主机使用”私钥“通过BIKE解码过程对加密的信息进行解码。

在这三个步骤中，BIKE进行解码的步骤才是计算量最大的一步。

BIKE“新”在哪里

改版后的BIKE运用了一种新的解码器，这种解码器对计算能力的要求更低。

测试表明，这使得Intel Arria 10 FPGA[3]在12毫秒以内，以110MHz的频率，在130万个周期内计算单个BIKE解码操作成为可能。与其他软件相比，是相当有竞争力的。

过去的BIKE针对的安全级别仅限于1或3级，而如今这是第一个适用于5级密钥和密文的BIKE操作系统（其中5级代表了美国国家标准技术研究院定义的最高安全级别），每一个更高级别的安全性都需要更大的密钥和加密文本，而这其中又需要更多的、更大量的计算来实现。

新版BIKE提供了相当于AES-256位加密的安全性，这意味着量子计算机需要进行2128次运算才能将其破解。

其硬件加速器的设计提供了额外的安全性，可抵御侧通道攻击，在这种攻击中，攻击者会试图利用有关功耗，甚至有关软件进程时序的信息，对计算机进行攻击。因为最新版的BIKE可以并列执行128位秘密比特的所有计算，这使得窥探者很难找出与各个计算相关的功耗模式。

BIKE硬件加速器还具有防止定时攻击的功能，因为其解码器始终以一个既定回合的数量运行着，每个回合的时间都是相同的。

在NIST后量子密码学标准化进程的第三轮中，BIKE被评选为8位候补者之一，该进程目前正在寻找替代现代密码学标准的最佳人选。还有其他7种算法被评选成为了决赛入围者，从最初提交的69组参赛者中，现存15种算法。

研究人员已经提交了他们修改后的BIKE版本，用于 NIST 第三轮的挑战，目前正在等待评审。如果一切顺利，联邦机构计划于2022年发布抗量子密码技术的初始标准。

参考文献：

[1]https://qce.quantum.ieee.org/

[2]https://eprint.iacr.org/2020/117.pdf

[3]https://www.intel.com/content/www/us/en/products/programmable/fpga/arria-10.html

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