I6220 教學大綱表

教學大綱表 (115學年度第1學期)

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課程名稱 Course Title	(中文) 量子安全實務與應用 (英文) Practical Quantum Security And Its Applications			開課單位 Departments	資訊工程研究所
				課程代碼 Course No.	I6220
授課教師 Instructor	周憲政
學分數 Credit	3.0	必/選修 core required/optional	選修	開課年級 Level	研究所
先修科目或先備能力(Course Pre-requisites)：密碼學、資訊安全導論、線性代數
課程概述與目標(Course Overview and Goals)：量子科技正由實驗室逐步走向產業實作，形成涵蓋量子計算、量子通訊及量子感測之創新生態。以量子位元、疊加及糾纏等核心概念為基礎，代表性量子演算法如Shor與Grover，已對傳統密碼體系造成深遠衝擊，並驅動全球加速推動後量子密碼（Post-Quantum Cryptography, PQC）之標準化與實務部署。本課程以「從故事進入、到概念建立、再到應用落地」為主軸，循序引導同學理解量子科技與資訊安全之關聯。課程前段由黑體輻射、光電效應、雙狹縫實驗及薛丁格的貓等經典案例切入，建立同學對量子現象之直觀認識；中段介紹量子位元、量子閘、疊加、糾纏、量子演算法及量子通訊等基本概念，說明量子時代對現代資訊安全與密碼技術所帶來之挑戰；後段則聚NIST制訂之後量子密碼標準，包括ML-KEM、ML-DSA及SLH-DSA 等代表性機制，並結合區塊鏈、物聯網、金融交易與無線通訊等案例，探討其整合應用與遷移策略。除建立量子安全之核心知識外，本課程亦強調實務操作與部署評估，透過 PQC函式庫操作、參數比較、密鑰交換與簽章驗證實作、混合式遷移測試及效能量測，期使同學具備初步之量子安全系統建置、分析及評估能力，同時協助同學掌握量子科技與後量子密碼之基本原理、標準發展、應用價值及未來趨勢，作為投入新世代資訊安全研究與實務應用之基礎。
教科書(Textbook)	1.Quantum Computing: A Gentle Introduction -Author：Rieffel & Polak 2.Quantum Computation and Quantum Information -Author：Nielsen & Chuang 3.Post-Quantum Cryptography -Author：Bernstein, Buchmann, Dahmen
參考教材(Reference)	1.Kaye, Laflamme, Mosca, An Introduction to Quantum Computing 2.Mark M. Wilde, Quantum Information Theory

課程大綱 Syllabus			學生學習目標 Learning Objectives	單元學習活動 Learning Activities	學習成效評量 Evaluation	備註 Notes
序 No.	單元主題 Unit topic	內容綱要 Content summary	學生學習目標 Learning Objectives	單元學習活動 Learning Activities	學習成效評量 Evaluation	備註 Notes
1	課程導覽與量子科技概觀	課程規範與評量方式、量子科技/產業趨勢、量子威脅與PQC動機	瞭解量子科技/產業趨勢、量子威脅及PQC動機	講授
2	古典到量子：物理直觀建立	黑體輻射與光電效應；愛因斯坦光子假說；古典理論限制與量子觀點的必要性；測量與能量量子化之直觀	瞭解古典量子演變過程	講授
3	雙狹縫、機率幅(波)與量子測量直觀	雙狹縫實驗、干涉條紋及機率幅；從波動到量子疊加之直觀轉換；觀測如何改變系統；與資訊安全中竊聽偵測概念之連結	瞭解雙狹縫實驗、干涉條紋及機率幅；從波動到量子疊加之直觀轉換	講授實作	作業
4	量子位元與單量子閘	量子態、布洛赫(Bloch)球體、單量子閘操作、測量與態坍縮	瞭解量子態、布洛赫(Bloch)球體、單量子閘操作、測量及態坍縮之運作原理	講授實作
5	量子疊加與糾纏	糾纏貝爾態、單體與雙體干涉、EPR 悖論與違反定域性	瞭解糾纏貝爾態、單體與雙體干涉、EPR 悖論與違反定域性之資訊意義	講授
6	量子演算法與密碼衝擊	Shor演算法對RSA/ECC之衝擊、QFT(量子傅立葉變換)概念	瞭解Shor演算法對RSA/ECC之衝擊、QFT(量子傅立葉變換)概念	講授實作
7	量子通訊與密鑰分配	BB84協定、QBER(量子位元錯誤率)門檻概念、竊聽偵測；裝置不完美與實務挑戰	瞭解BB84協定、QBER門檻概念、竊聽偵測；裝置不完美與實務挑戰	講授實作
8	期中考	期中評量	瞭解同學期中考前之學習成效		期中考
9	後量子密碼(PQC)介紹與比較	網格、編碼、多變量、雜湊等PQC類型之介紹與比較；數學難題(如LWE)直觀解析	瞭解網格、編碼、多變量、雜湊等PQC類型之核心運作原理	講授
10	Kyber密鑰交換（ML-KEM，FIPS-203）	KEM 介面與封裝/解封裝流程、NTT數論轉換概念	瞭解KEM 介面與封裝/解封裝流程、NTT數論轉換概念	講授實作
11	Dilithium數位簽章（ML-DSA，FIPS-204）	簽章/驗章流程、拒絕取樣、測試向量與錯誤注入防護	瞭牽簽章/驗章流程、拒絕取樣、測試向量與錯誤注入防護	講授實作
12	SPHINCS+雜湊基簽章（SLH-DSA，FIPS-205）	WOTS+/FORS(簽章加速算法)、Merkle/Hypertree(層疊Merkle)結構與尺寸效能取捨	瞭解WOTS+/FORS(簽章加速算法)、Merkle/Hypertree(層疊Merkle)結構與尺寸效能取捨	講授
13	FALCON數位簽章（FN-DSA）與進階簽章比較	GPV框架、NTRU網格、快速傅利葉採樣概念、與ML-DSA於簽章大小、效能及實作複雜度之比較	瞭解GPV框架、NTRU網格、快速傅利葉採樣概念，並與ML-DSA比較簽章大小、效能及實作複雜度	講授
14	PQC遷移策略、Hybrid與Crypto-Agility	混合式握手/簽章思維、遷移路線圖、相容性測試；憑證、TLS與既有系統導入議題	瞭解混合式握手/簽章思維、遷移路線圖、相容性測試；憑證、TLS與既有系統導入議題	講授
15	PQC應用案例分析	區塊鏈錢包與交易簽章、物聯網裝置身分與韌體更新、金融交易與長期驗證、無線網路安全等應用案例	瞭解區塊鏈錢包與交易簽章、物聯網裝置身分與韌體更新、金融交易與長期驗證、無線網路安全等應用案例	講授
16	期末考	期末評量	期末考		期末考

彈性教學週活動規劃

序 No.	實施期間 Period	實施方式 Content	教學說明 Teaching instructions	彈性教學評量方式 Evaluation	備註 Notes
1	起:2026-12-28 迄:2027-01-10	2.非同步線上課程 Asynchronous online course	PQC端到端最小可行系統專題：完成一個最小可行 PQC 系統：Kyber密鑰交換＋Dilithium簽(驗)章＋Hybrid 雛形)；量測封包大小、密鑰與簽章尺寸與延遲	產出測試報告

教學要點概述：
1.自編教材 Handout by Instructor：
■ 1-1.簡報 Slides
□ 1-2.影音教材 Videos
□ 1-3.教具 Teaching Aids
■ 1-4.教科書 Textbook
□ 1-5.其他 Other
■ 2.自編評量工具/量表 Educational Assessment
□ 3.教科書作者提供 Textbook

成績考核 Performance Evaluation：期末考：30% 期中考：30% 彈性教學：10% 作業：30%

教學資源(Teaching Resources)：
■ 教材電子檔(Soft Copy of the Handout or the Textbook)
□ 課程網站(Website)