问题概述：

随着信息技术的快速发展，网络空间安全已经成为国家安全的重要部分，作为网络空间安全基石的密码技术已经成为保障国家安全和经济发展的战略性技术力量。起源于古代军事斗争的密码技术已经在二战后逐渐成长为一个理论丰富应用广泛的学科领域。密码学的本质是对信息的变换和保护，信息技术的变化必然对密码学的设计和分析理论产生重大影响。随着各类新型信息技术的不断出现，密码算法的设计与分析也面临着新的机遇和挑战，其中最具革命性的是量子信息技术带来的影响。

量子力学是人类20世纪最伟大的科技成果之一，将人类的认知从宏观世界带入了微观世界。量子物理效应在现代科学技术中起到了重要的作用，例如激光、电子显微镜、原子钟、核磁共振技术、半导体、核武器等。更具颠覆性的影响是测不准、不可克隆、叠加、纠缠、隧穿等微观现象和原理对信息的表达、传输和处理带来了革命性的影响。

微观粒子的测不准和不可克隆特性使得基于微观物理量的信息表达具备了窃听检测能力，给量子通信的安全性带来了与生俱来的保障。基于这一原理设计的量子密钥协商协议目前已经取得了很大进展，京沪量子干线的成功建成，墨子号量子通信卫星的成功运行奠定了我国在该领域的国际领先地位。

另一方面，叠加和纠缠特性带来的强大并行处理能力使得量子计算机对现代密码学算法的安全性产生了严重威胁，如果制造出足够大的量子计算机，Shor算法可以在多项式时间内破解因子分解问题和离散对数问题，从而攻破目前主流的RSA和ElGamal密码算法。相对于量子通信，量子计算技术需要对多个微观粒子进行操控并保持其叠加和纠缠状态，技术难度要高很多。虽然量子通信技术已经日渐成熟，量子计算技术尚有许多技术挑战需要解决。目前美国、欧盟和中国等都在这一领域投入了大量资金争夺量子霸权。谷歌、IBM、微软、英特尔等商业公司更是异常活跃，IBM已经制造出50比特的量子计算机，英特尔已经制造出49比特的量子芯片。

量子密钥协商为密码体系提供了新的物理安全技术，然而，量子密钥协商所提供的密钥交换服务只是整个密码体系中的一个环节，量子技术带来的根本影响表现在量子计算能力直接动摇了现代密码学赖以生存的经典复杂性理论。如同电子计算机的鼻祖图灵炸弹的出现彻底破解了的古典机械密码的巅峰之作，量子计算机的出现意味着我们需要在量子计算背景下重建密码算法依赖的计算复杂性、安全性证明、安全性分析理论，设计可以抵抗量子计算攻击的密码算法。迫于量子计算机技术快速发展带来的巨大安全威胁，美国在抗量子密码算法设计和分析理论尚不成熟的情况下提前启动了下一代抗量子密码的征集和评估工作，希望能以此推动抗量子密码算法设计理论的快速发展，并形成可以抵抗量子计算攻击的下一代密码算法标准。

量子计算技术背景下的密码算法设计与分析主要包含两个模式，第一个模式是需要保护的信息系统运行在经典状态，要求其抵抗敌手使用量子计算能力发起的攻击；第二个模式是整个信息系统运行于量子装状态，要求其抵抗攻击者使用量子计算能力发起的攻击。在可以预见的将来，第一个模式的需求是最广泛的，并将持续相当长的时间，第二个模式的需求将取决于量子系统的成熟速度，且只会在特殊的领域有需求。量子技术背景下的密码算法设计与分析面临的关键难题和主要挑战如下：

1.探索量子计算对经典困难问题的影响，分析解决困难问题需要的量子资源。当前，量子计算对经典密码算法的威胁主要是基于量子傅里叶变换提取隐藏周期解决因子分解和离散对数问题，对于更多的困难问题尚无有效算法。探索如何在更广泛的困难问题求解中发挥量子计算的并行处理能力，是设计抗量子密码算法需要解决的根本问题。另一方面，研究量子比特数增大带来的技术挑战增长趋势并分析解决困难问题需要的量子资源是评估量子计算具体威胁的关键问题。

2.探索量子计算复杂性理论，并基于此建立密码算法的量子可证明安全性理论。密码学从古典的艺术发展为近代的科学，计算复杂性理论和基于此建立的可证明安全理论起到了关键的作用。可证明安全理论形式化的定义了密码学的基础功能模块并基于计算复杂性理论论证了密码算法的结构安全性。然而，在量子计算背景下，安全的模型和论证过程均发生了根本变化。因此，在量子计算复杂性理论模型下重新建立可证明安全的模型和证明技术是设计抗量子计算攻击密码算法的关键问题。

3.探索基于微观粒子量子特性的密码算法设计理论，直接介于物理原理设计密码算法。与基于数学困难问题设计密码算法的传统理论不同的是，在量子技术背景下还可以基于量子物理效应直接设计密码算法，从而可以直接处理了量子态消息。因此，探索如何基于量子物理构建崭新的密码体制设计理论，有望为密码学带来根本性的变革。

重要意义：

量子技术背景下的密码算法设计与分析问题取得突破对于保障我国的网络空间安全维护国家安全具有重大的战略意义。