การพิสูจน์อักษรควอนตัมรุ่นต่อไป PKI และใบรับรองดิจิทัล

บทความโลดโผนเช่น นี้ เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมแม้ในปี 2016 สร้างความไม่แน่นอนด้านความปลอดภัยของข้อมูลในกรณีที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีพลังงานเพียงพอ บทความนี้จะพยายามให้ความกระจ่างเกี่ยวกับสถานการณ์ 

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?

การคำนวณควอนตัมเป็นการนำหลักการกลศาสตร์ควอนตัมมาประยุกต์ใช้ในการคำนวณ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การคำนวณควอนตัมใช้ประโยชน์จากสถานะควอนตัมของอนุภาคย่อยของอะตอม เช่น การซ้อนและการพัวพันเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม เมื่อนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีกำลังเพียงพอ อัลกอริธึมเฉพาะสามารถคำนวณได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป และแม้แต่แก้ปัญหาที่เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันเข้าถึงไม่ได้ ส่งผลให้มีดอกเบี้ยเพิ่มขึ้นจาก รัฐบาล และอุตสาหกรรมทั่วโลกเพื่อพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม ฟิลด์นี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่การพัฒนากำลังได้รับแรงฉุดและมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้อยู่แล้วแม้ว่าจะอ่อนแอมากในตอนนี้ 

คอมพิวเตอร์คลาสสิกและควอนตัม

การคำนวณควอนตัมมีอิทธิพลต่อการเข้ารหัสอย่างไร

“ในปี 1994 Peter Shor จาก Bell Laboratories แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางกายภาพของสสารและพลังงานในการคำนวณสามารถแก้ปัญหาแต่ละอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ระบบเข้ารหัสคีย์สาธารณะทั้งหมดตามสมมติฐานดังกล่าวไม่มีศักยภาพ ดังนั้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังเพียงพอจะทำให้การสื่อสารสมัยใหม่หลายรูปแบบ ตั้งแต่การแลกเปลี่ยนคีย์ไปจนถึงการเข้ารหัสไปจนถึงการรับรองความถูกต้องทางดิจิทัล ตกอยู่ในอันตราย”

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมาเร็ว ๆ นี้หรือไม่

อะไรที่พวกเราสามารถทำได้?

เมื่อเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แพร่หลายมาถึง เราจะต้องพร้อมด้วยการต้านทานควอนตัม PKI. มีหลายโครงการที่กำลังดำเนินการเพื่อบรรลุเป้าหมายนี้และเทคโนโลยีที่เสนอมากมายที่สามารถให้แนวทางแก้ไขได้ ด้านล่างนี้ เราจะพยายามสรุปเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุด และให้ทบทวนสั้น ๆ เกี่ยวกับโครงการที่อยู่ระหว่างดำเนินการเพื่อสร้างการเข้ารหัสหลังควอนตัม พร้อมกับความท้าทายที่รออยู่ข้างหน้า 

ครอบครัวของอัลกอริธึมหลังควอนตัม

การวิจัยในช่วง 15-20 ปีที่ผ่านมาได้พิสูจน์แล้วว่าอัลกอริธึมสามารถต้านทานการโจมตีควอนตัมได้ ด้านล่างนี้ เราให้คำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับกลุ่มอัลกอริธึมที่มีแนวโน้มมากที่สุด ซึ่งสามารถให้โซลูชันสำหรับการรักษาความปลอดภัยในโลกหลังควอนตัม 

การเข้ารหัสตามรหัส

การเข้ารหัสแบบใช้รหัสใช้รหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อสร้างการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ มันถูกเสนอครั้งแรกโดย Robert McEliece ในปี 1978 และเป็นหนึ่งในอัลกอริธึมการเข้ารหัสแบบอสมมาตรที่เก่าแก่และได้รับการวิจัยมากที่สุด รูปแบบลายเซ็นสามารถสร้างขึ้นตามโครงการ Niederreiter ซึ่งเป็นรูปแบบคู่ของโครงการ McEliece ระบบเข้ารหัสของ McEliece ได้ต่อต้านการเข้ารหัสลับจนถึงตอนนี้ ปัญหาหลักของระบบเดิมคือขนาดคีย์ส่วนตัวและสาธารณะที่มีขนาดใหญ่

การเข้ารหัสตามแฮช

การเข้ารหัสตามแฮช แสดงถึงแนวทางการเข้ารหัสหลังควอนตัมที่มีแนวโน้มสำหรับลายเซ็นดิจิทัล ฟังก์ชันแฮชคือฟังก์ชันที่จับคู่สตริงที่มีความยาวตามอำเภอใจกับสตริงที่มีความยาวคงที่ พวกเขาเป็นหนึ่งในรูปแบบการเข้ารหัสคีย์สาธารณะที่เก่ากว่า และการประเมินความปลอดภัยจากการโจมตีแบบคลาสสิกและแบบควอนตัมนั้นเป็นที่เข้าใจกันดี ฟังก์ชันแฮชเป็นหนึ่งในเครื่องมือเข้ารหัสที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดอยู่แล้ว เป็นที่ทราบกันดีว่าพวกเขาสามารถใช้เป็นเครื่องมือเดียวในการสร้างการเข้ารหัสคีย์สาธารณะเป็นเวลานาน นอกจากนี้ การเข้ารหัสแบบแฮชยังมีความยืดหยุ่นและสามารถตอบสนองความคาดหวังด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ข้อเสีย รูปแบบลายเซ็นแบบแฮชนั้นส่วนใหญ่เป็นการเก็บสถานะ ซึ่งหมายความว่าคีย์ส่วนตัวจะต้องได้รับการอัปเดตหลังจากใช้งานทุกครั้ง มิฉะนั้นจะไม่รับประกันความปลอดภัย มีแผนแฮชแบบไร้สัญชาติ แต่ต้องใช้ลายเซ็นที่ยาวขึ้น เวลาดำเนินการที่สำคัญกว่า และผู้ลงนามจำเป็นต้องติดตามข้อมูลบางอย่าง เช่น จำนวนครั้งที่คีย์ถูกใช้เพื่อสร้างลายเซ็น

การเข้ารหัสแบบ Lattice

การเข้ารหัสแบบ Lattice-based เป็นกรณีเฉพาะของการเข้ารหัสแบบอิงตามปัญหาชุดย่อยและเปิดตัวครั้งแรกในปี 1996 โดย Ajtai เป็นคำทั่วไปสำหรับการเข้ารหัสดั้งเดิมที่สร้างขึ้นโดยใช้โครงตาข่าย โครงสร้างเหล่านี้บางส่วนดูเหมือนจะทนทานต่อการโจมตีทั้งควอนตัมและคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติที่น่าสนใจอื่นๆ เช่น ปัญหาความแข็งที่แย่ที่สุด นอกจากนี้ ยังนำเสนอความเรียบง่ายและความเท่าเทียม และใช้งานได้หลากหลายมากพอที่จะสร้างแผนการเข้ารหัสที่แข็งแกร่ง สุดท้าย พวกเขาเป็นเพียงกลุ่มของอัลกอริธึมที่มีพื้นฐานทั้งสามประเภทที่จำเป็นในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานคีย์สาธารณะหลังควอนตัม: การเข้ารหัสคีย์สาธารณะ การแลกเปลี่ยนคีย์ และลายเซ็นดิจิทัล

การเข้ารหัสหลายตัวแปร

การเข้ารหัสแบบหลายตัวแปรหมายถึงการเข้ารหัสคีย์สาธารณะซึ่งมีคีย์สาธารณะแสดงถึงแผนที่พหุนามพหุตัวแปรและไม่เชิงเส้น (ปกติคือกำลังสอง) การแก้ปัญหาระบบเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็น NP-complete ดังนั้นจึงทำให้อัลกอริธึมตระกูลนี้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการเข้ารหัสหลังควอนตัม ในปัจจุบัน แผนการเข้ารหัสแบบหลายตัวแปรได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพน้อยกว่าแบบแผนอื่นๆ เนื่องจากต้องใช้คีย์สาธารณะจำนวนมากและใช้เวลาในการถอดรหัสที่ยาวนาน ในทางกลับกัน มันกลับกลายเป็นว่าเหมาะสมกว่าสำหรับการสร้างแบบแผนลายเซ็น เนื่องจากมีขนาดลายเซ็นที่สั้นที่สุดในบรรดาอัลกอริธึมหลังควอนตัม แม้ว่าจะมีคีย์สาธารณะที่ค่อนข้างใหญ่

การเข้ารหัสตามไอโซเจนี

การเข้ารหัสแบบอิงไอโซเจนีใช้แผนที่ระหว่างเส้นโค้งวงรีเพื่อสร้างการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ อัลกอริธึมที่เป็นตัวเลือกสำหรับการเข้ารหัสหลังควอนตัมคือการแลกเปลี่ยนคีย์ Diffie-Hellman Supersingular isogeny (SIDH) ที่เปิดตัวในปี 2011 ทำให้โครงการนี้เป็นโครงการล่าสุดในบรรดาผู้สมัคร SIDH ต้องการหนึ่งในคีย์ที่เล็กที่สุดในบรรดาแผนการแลกเปลี่ยนคีย์ที่เสนอ และสนับสนุนความลับในการส่งต่อที่สมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม อายุยังน้อยหมายความว่ามีรูปแบบไม่มากนักตามแนวคิดนี้ และไม่มีการตรวจสอบช่องโหว่ที่เป็นไปได้มากนัก 

โครงการสำหรับการเข้ารหัสหลังควอนตัม

มีคณะทำงานหลากหลายสำหรับแผนการเข้ารหัสหลังควอนตัม เช่น เปิดโครงการ Quantum Safe (OQS) และ ENISA. อย่างไรก็ตาม ความคิดริเริ่มที่สอดคล้องกันมากที่สุดคือ โครงการสร้างมาตรฐานการเข้ารหัสลับหลังควอนตัมของ NIST ที่ดำเนินการมาตั้งแต่ปี 2017 ตามชื่อที่บอกไว้ โปรเจ็กต์นี้มีจุดมุ่งหมายในการเลือกรูปแบบการเข้ารหัสที่เหมาะสมซึ่งจะเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในยุคหลังควอนตัม กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยอัลกอริธึมของผู้สมัคร 69 รายการ โดย 26 รายการผ่านเข้าสู่การประเมินรอบที่สอง ในเดือนกรกฎาคม 2020 ได้มีการประกาศรายชื่อผู้เข้ารอบที่ 3 ดังตารางด้านล่าง มีผู้เข้ารอบสุดท้ายเจ็ดคนและผู้สมัครทางเลือกอีกแปดคนโดยรวม ในตารางมีการระบุว่าพวกเขาได้รับการพิจารณาสำหรับการเข้ารหัสหรือโครงร่างลายเซ็น ตระกูลอัลกอริธึม และปัญหาที่ยากซึ่งอ้างอิงถึง

โครงการ	กฎหมาย/SIg	ครอบครัว	ปัญหาหนักใจ
รอบที่ 3 เข้ารอบ
คลาสสิก McEliece	Inc	รหัสตาม	การถอดรหัสรหัสไบนารี Goppa แบบสุ่ม
คริสตัล-Kyber	Inc	Lattice-Based	โมดูล Cyclotomic-LWE
สพท	Inc	Lattice-Based	ปัญหา Cyclotomic NTRU
กระบี่	Inc	Lattice-Based	โมดูล Cyclotomic-LWR
คริสตัล-ไดลิเธียม	Sig	Lattice-Based	Cyclotomic Module-LWE และ Module-SIS
เหยี่ยวนกเขา	Sig	Lattice-Based	ไซโคลโทมิกริง-SIS
รุ้ง	Sig	หลายตัวแปรตาม	ประตูกับดักน้ำมันและน้ำส้มสายชู
รอบที่ 3 ผู้สมัครสำรอง
BIKE	Inc	รหัสตาม	การถอดรหัสรหัสกึ่งวงจร
กองบัญชาการ	Inc	รหัสตาม	รูปแบบการเข้ารหัสของ Ring-LWE
โฟรโด-KEM	Inc	Lattice-Based	แอลดับบลิว
NTRU-นายกรัฐมนตรี	Inc	Lattice-Based	ปัญหา Non-cyclotomic NTRU หรือ Ring-LWE
SIKE	Inc	อิงจากไอโซเจนี	ปัญหา isogeny กับคะแนนพิเศษ
GemMSS	Sig	หลายตัวแปรตาม	ประตูกล 'สนามใหญ่'
ปิกนิก	Sig	การเข้ารหัสสมมาตร	ความต้านทานพรีอิมเมจของบล็อกไซเฟอร์
สฟิงส์+	Sig	แบบแฮช	ความต้านทานพรีอิมเมจของฟังก์ชันแฮช

การประเมินอัลกอริธึมขึ้นอยู่กับเกณฑ์สามข้อที่แสดงด้านล่าง

• ความปลอดภัย: นี่คือเกณฑ์ที่สำคัญที่สุด NIST ได้กำหนดปัจจัยหลายประการเพื่อพิจารณาในการประเมินความปลอดภัยจากอัลกอริทึมของผู้สมัครแต่ละราย นอกเหนือจากการต่อต้านควอนตัมของอัลกอริธึมแล้ว NIST ยังได้กำหนดพารามิเตอร์ความปลอดภัยเพิ่มเติมซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของระบบนิเวศการรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ในปัจจุบัน สิ่งเหล่านี้เป็นความลับในการส่งต่อที่สมบูรณ์แบบ การต่อต้านการโจมตีช่องด้านข้าง และการต้านทานการโจมตีแบบหลายปุ่ม 
• ต้นทุนและประสิทธิภาพ: อัลกอริทึมจะได้รับการประเมินตามเมตริกประสิทธิภาพ เช่น ขนาดคีย์ ประสิทธิภาพในการคำนวณของการดำเนินการและการสร้างคีย์สาธารณะและส่วนตัว และความล้มเหลวในการถอดรหัส
• อัลกอริทึมและลักษณะการใช้งาน: สมมติว่าอัลกอริทึมมีความปลอดภัยและประสิทธิภาพโดยรวมที่ดี พวกเขาจะได้รับการประเมินโดยพิจารณาจากความยืดหยุ่น ความเรียบง่าย และความง่ายในการนำไปใช้ (เช่น การมีอยู่หรือไม่ของทรัพย์สินทางปัญญาที่ครอบคลุมอัลกอริทึม)

ความคล่องตัวในการเข้ารหัส 

สรุป