波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员安德烈Ruckenstein、克劳迪奥·教授和跑Canetti（左起）刚刚发表了一篇论文，阐述了推动他们的新密码学方法的一些想法。

加密

我们的网络世界依赖于加密。 如果失败了怎么办？

量子计算机将使传统的数据加密技术过时； 波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员已经转向物理学来提出更好的防御措施

在我们这个高度互联的世界里，我们每天都依赖于加密通信——网上购物、数字签名文件、进行银行交易、在健身追踪器上查看我们的步数。

但如今的加密技术——将数据转换成不可读的格式以保证信息安全——正面临着巨大的压力。 网络罪犯越来越老练，我们的网络——与云服务和第三方平台交织在一起——比以往任何时候都更加脆弱。 JP Morgan reports it repels 450亿黑客 attempts 一天.

最重大的威胁是所谓的Y2Q或Q-Day：量子计算机将使大多数当前加密方法过时的日期。 为了掌握这种规模，一台量子计算机可以在一天内完成目前世界上最快的超级计算机需要数千年才能完成的任务：破解RSA-2048加密算法，这是互联网安全的支柱。 可以毫不夸张地说，如果没有加密，我们这个互联世界的整个安全将会崩溃，威胁到社会的稳定。 虽然第二季度可能还需要数年时间，但提高加密弹性的需求也越来越大。 “现在收集，以后解密”的攻击正在升级——网络犯罪分子今天收集加密数据，目的是在量子工具可用时稍后解密。

To address these challenges, a 波士顿大学–led multidisciplinary research team, supported by a $3.6 million 美国国家科学基金会（NSF）增长趋同澳门威尼斯人注册网站研究奖, is developing a groundbreaking, physics-inspired approach to data security and privacy. 他们的方法重新构想了加密工具的基础，他们表示，面对快速发展的网络威胁，这种方法有望更加强大、可扩展，并为未来做好准备。 The team, which includes collaborators at Cornell University and the University of Central Florida, has just published a paper in the 美国国家科学院学报（PNAS） that illustrates some of the ideas driving its approach to cryptography.

“We’re in a new era of technology, where the frontiers of computational capability lie at the intersection of classical and quantum computing, AI, and data security,” says principal investigator 安德烈Ruckenstein, a BU 艺术与科学学院 Distinguished Professor of Physics. “这些领域最紧迫、最复杂的挑战，比如保护敏感数据或为量子威胁做准备，目前的加密和安全方法无法解决。 这项工作令人兴奋的地方在于，它引入了一种真正的范式转变，并提供了只有通过不同学科才能实现的新能力，从而形成了思维的根本变化。”

量子计算利用极小粒子的不寻常特性——粒子可以同时以多种状态存在（量子叠加），并在距离上保持连接（纠缠），允许量子计算机同时探索多种可能性，显著加快某些计算速度。

“我们的方法有望在本质上抵抗经典和量子攻击，”Ruckenstein说。 “这不仅会增强公众对人工智能系统的信心，还会为数据驱动的、对社会负责的创新创造新的机会。”

在使用过程中保护数据

Modern encryption methods, developed roughly 50年前, could not envision the computational demands of today—let alone those of the quantum era. 依靠难以解决的数学问题，这些系统大多只保护传输或静止的数据，而在使用过程中会暴露数据。 这给人工智能训练模型等数据密集型应用程序带来了一个问题，这些应用程序处理的大量数据通常是私人或机密的。 目前的方法通常要求模型在训练期间解密数据，使其暴露在外，或者采用降低处理速度的隐私保护技术，使其难以大规模应用。

bus领导的NSF项目提供了一条新的前进道路。 所提出的方案被称为加密算子计算（EOC），它融合了物理学、计算机科学和数学，以开发可扩展的方法，直接对加密数据进行计算——长期以来被认为是密码学的“圣杯”。

“The approach is an alternative to 全同态加密（FHE）, an elegant, state-of-the-art cryptographic tool, which has so far proven difficult to apply to large-scale practical problems,” says Ruckenstein.

EOC允许用户在不向第三方泄露原始信息的情况下操纵和获取机密数据。 这种级别的安全和隐私对于区块链交易、医疗人工智能模型、云服务等应用程序至关重要。

“While our EOC method is designed to work on classical computers doing classical computations, the conceptual breakthrough behind it is quantum computation–inspired,” says 克劳迪奥·教授, a CAS professor of physics. “在解决加密数据计算的现实挑战时，我们也遇到了一些基本问题，例如对于固定长度的电路，给定的计算可以有多少种不同的表达方式。 我们把这些问题与热力学概念联系起来，比如‘熵’，它描述了一个系统是多么不可预测或随机，这取决于它可以有多少种排列方式。”

How entropy applies to computation is the subject of the team’s PNAS paper.

“In our framework, computation is represented as a circuit of logical elements, or gates, encoding elementary operations and which, when applied sequentially to the input data, implement the desired computation,” says Ruckenstein, who coauthored the paper with Chamon, 跑Canetti, a CAS professor of computer science, and Eduardo R. Mucciolo, a professor of physics at the University of Central Florida. “在论文中，我们考虑了计算电路的功能和复杂性——电路在计算什么，以及实现这种计算需要多大的电路。”

该团队受物理学启发的方法将计算中的复杂性视为热力学量； 热力学与热和能量等物质如何传播有关。 例如，热力学规则支配着早晨咖啡中的热量如何扩散：随着热量的扩散，分子变得更加分散和无序，它们的模式也更加复杂。 这些都不会妨碍你享受你的咖啡，但祝你好运，恢复所有这些不稳定分子的历史。 澳门威尼斯人注册网站研究人员认为，在计算机电路中，它的门也可以类似地被打乱以隐藏信息。

The PNAS paper proposes a dynamic process to obfuscate, or “hide,” any circuit by rearranging gates, randomizing its structure without altering its function. 其目的不仅是快速地扰乱信息，而且要彻底地破坏所有的模式，这样程序就不可能被逆向工程。 该团队的愿景是创建一个值得信赖的环境，其中数据和使用数据的程序都是隐藏的。

Canetti说：“程序混淆是一个非常强大和通用的概念，用于保护数据、数据处理及其在多种场景和时间中的各种用途。” 然而，它是出了名的难以构建：到目前为止，我们还没有通用的程序混淆方案，甚至接近于实用。 这个令人兴奋的项目有可能使程序混淆成为现实。”

通过融合澳门威尼斯人注册网站研究突破界限

这个由nsf资助的项目旨在将这些密码学概念转化为实用工具。 澳门威尼斯人注册网站研究团队将共同将EOC框架开发成可扩展的专用硬件，将物理启发的信息见解与高级密码学和纯数学相结合。 其目标是提高性能，并使安全、保护隐私的计算在现实世界中广泛使用。

“通过结合不同领域的专业知识，我们可以同时从多个角度解决问题——无论是理解量子行为，设计新的算法，还是建造更好的硬件，”穆奇奥罗说。 “这种协同作用不仅加快了速度，而且使我们能够比任何一个学科单独深入得多。 如果没有这种跨学科的视角，我们就无法发现这些联系。”

One of the team’s other contributors, 康奈尔大学数学教授蒂莫西·莱利说, says the collaboration across disciplines is a “rare and precious opportunity” that is allowing the researchers “to understand each other’s languages, to learn from each other’s perspectives, and to share the models, problems, and abstractions that drive our work.”

Canetti, Chamon, and Ruckenstein were able to advance the work with the support of the 哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所的量子收敛重点澳门威尼斯人注册网站研究项目, which facilitates 辐合思维 and multidisciplinary collaborations across BU on crosscutting themes around quantum science and engineering. 波士顿大学的三位澳门威尼斯人注册网站研究人员都隶属于该澳门威尼斯人注册网站研究所。

“The rise of digital infrastructure demands stronger security to protect our economy, privacy, and national interests,” says Yannis Paschalidis, a BU College of Engineering Distinguished Professor of Engineering, director of the Hariri Institute, and a member of the 大学融合澳门威尼斯人注册网站研究与教育工作小组. “解决这些复杂的挑战需要打破孤岛。 这项工作表明，融合澳门威尼斯人注册网站研究如何推动现实世界的影响，并开启全新的技术前沿。”