O advento da computação quântica representa uma mudança basic nas capacidades computacionais que ameaçam a base criptográfica da segurança digital moderna. À medida que os computadores quânticos evoluem dos conceitos teóricos para a realidade prática, eles representam uma ameaça existencial aos algoritmos de criptografia que protegem tudo, desde comunicações pessoais até segredos de segurança nacional. A criptografia pós-Quantum está mudando a segurança cibernética, expondo novas fraquezas e exigindo ações rápidas para manter os dados seguros.
A ameaça quântica não é meramente teórica; Especialistas estimam que os computadores quânticos (CRQCs) criptograficamente relevantes capazes de quebrar a criptografia de corrente podem emergir nos próximos 5 a 15 anos. Essa linha do tempo provocou a estratégia “Colheita agora, descriptografando mais tarde” (HNDL), onde os atores de ameaças coletam dados criptografados hoje com a intenção de descriptografá -lo quando as capacidades quânticas amadurecem. A urgência dessa transição não pode ser exagerada, pois os mandatos do governo e os requisitos do setor estão acelerando a linha do tempo para a adoção pós-quadra em todos os setores. O governo dos EUA estabeleceu requisitos claros através Diretrizes do NISTcom marcos importantes, incluindo depreciação de algoritmos de segurança de 112 bits até 2030 e transição obrigatória para sistemas resistentes à quântica até 2035. O Reino Unido possui da mesma forma estabeleceu um roteiro Exigindo as organizações para concluir as fases da descoberta até 2028, migrações de alta prioridade até 2031 e transições completas até 2035.
A paisagem da ameaça quântica
Compreendendo vulnerabilidades quânticas de computação
Os computadores quânticos operam em princípios fundamentalmente diferentes dos computadores clássicos, utilizando propriedades mecânicas quânticas, como superposição e emaranhamento, para obter poder computacional sem precedentes. As principais ameaças aos sistemas criptográficos atuais vêm de dois algoritmos quânticos principais: Algoritmo de Shorque pode fatorar com eficiência inteiros grandes e resolver problemas de logaritmo discretos e Algoritmo de Groverque fornece aceleração quadrática para ataques de força bruta contra criptografia simétrica.
Os atuais sistemas criptográficos de chave pública amplamente usados, incluindo RSA, criptografia da curva elípica (ECC) e Diffie-Hellman Key Change são particularmente vulneráveis a ataques quânticos. Embora a criptografia simétrica como o AES permaneça relativamente segura com o aumento de tamanhos -chave, a criptografia assimétrica que forma a espinha dorsal das comunicações seguras modernas enfrenta uma ameaça existencial.
Impacto nos níveis de segurança criptográfica
A ameaça quântica se manifesta de maneira diferente em vários sistemas criptográficos. As estimativas de especialistas atuais colocam o cronograma para computadores quânticos criptograficamente relevantes em aproximadamente 2030, com algumas previsões sugerindo que as capacidades de avanço podem emergir já em 2028. Essa linha do tempo levou a uma reavaliação basic dos níveis de segurança criptográfica:
| Algoritmo | Baseado em | Tempo clássico (por exemplo, 2048 bits) | Tempo quântico (futuro) |
| RSA | Fatoração inteira | ~ 10²⁰ anos (seguro) | ~ 1 dia (com 4.000 qubits lógicos) |
| Dh | Log discreto | ~ 10²⁰ anos | ~ 1 dia |
| ECC | Log da curva elíptica | ~ 10⁸ anos (para curva de 256 bits) | ~ 1 hora |
*Nota: essas estimativas se referem a qubits lógicos; Cada qubit lógico requer centenas a milhares de qubits físicos devido à correção de erros quânticos.
Protocolos de segurança atuais sob ameaça
Segurança da camada de transporte (TLS)
Os protocolos TLS enfrentam vulnerabilidades quânticas significativas nos mecanismos de troca de chaves e autenticação. As implementações atuais do TLS dependem muito da criptografia da curva elípica para o estabelecimento -chave e o RSA/ECDSA para assinaturas digitais, as quais são suscetíveis a ataques quânticos. A transição para o TLS pós-Quantum envolve a implementação de abordagens híbridas que combinam algoritmos tradicionais com alternativas resistentes à quântica como ML-KEM (anteriormente Crystals-Kyber).
Implicações de desempenho são substanciais, com pesquisas mostrando que as implementações de TLS resistentes à quântica demonstram níveis variados de sobrecarga, dependendo dos algoritmos utilizados e das condições da rede. O estudo abrangente da Amazon revela que as implementações pós-Quantum TLS 1.3 mostram aumentos de tempo até o tempo que permanecem abaixo de 5% para redes estáveis de largura de banda alta, enquanto redes mais lentas veem impactos que variam de 32% no tempo de handshake a menos de 15% quando a transferência de 50kib de dados ou mais.
Padrão de criptografia avançada (AES)
Os computadores quânticos podem usar o algoritmo de Grover para acelerar ataques de força bruta contra a criptografia simétrica. O algoritmo de Grover fornece uma aceleração quadrática, reduzindo o tempo de ataque de 2ⁿ para aproximadamente √ (2ⁿ) = 2^(n/2).
| Tamanho da chave do AES | O ataque efetivo de Grover | Força -chave eficaz |
| AES-128 | ~ 2⁶⁴ operações | Equivalente a chave de 64 bits |
| AES-256 | ~ 2 os operações | Equivalente a chave de 128 bits |
A implicação prática é que os computadores quânticos efetivamente pela metade a força de segurança dos algoritmos de criptografia simétrica.
Tecnologias IPSEC e VPN
Os protocolos IPSEC requerem atualizações abrangentes resistentes à quântica em vários componentes. Protocolos de troca de chaves como o IKEV2 devem implementar mecanismos de encapsulamento de chave pós-Quantum, enquanto os sistemas de autenticação precisam de assinaturas digitais resistentes à quântica.
Protocolo de integração de chaves seguras da Cisco (SKIP) Representa um avanço significativo na tecnologia VPN segura quântica. O SKIP é um protocolo baseado em HTTPS que permite que os dispositivos de criptografia importem com segurança as teclas pré-compartilhadas pós-Quantum (PPKs) de fontes de chave externas. Esse protocolo permite que as organizações obtenham resistência quântica sem a necessidade de extensas atualizações de firmware, fornecendo uma ponte prática para implementações completas pós-Quantum.
O SKIP usa o TLS 1.2 com a chave pré-compartilhada-Diffie-Hellman efêmero (PSK-DHE) Suite cifra, tornando o protocolo seguro quântico. O sistema permite que os operadores aproveitem a segurança existente do Protocolo da Web (IPSEC) ou a segurança do controle de acesso à mídia (MACSEC) enquanto integra fontes externas pós-quantum, como distribuição quântica de chave (QKD), criptografia pós-Quantum (PQC), chaves pré-compartilhadas ou outros métodos de segurança quântica. Suportes da Cisco Pule no iOS-XE.
Algoritmos criptográficos vulneráveis
RSA Criptografia
A RSA Safety depende da dificuldade de fatorar grandes números semiprime (produtos de dois grandes primos). É amplamente utilizado para comunicação da Net segura, assinaturas digitais e criptografia de electronic mail. Os sistemas de troca de chaves assimétricos enfrentam risco significativo de ameaças quânticas futuras, pois um computador quântico com bits quânticos suficientes, juntamente com melhorias na estabilidade e no desempenho, pode quebrar grande fatorização de números primos. Essa vulnerabilidade pode tornar insegura os sistemas criptográficos baseados em RSA na próxima década.
Diffie-Hellman (DH) / DSA / Elgamal
Esses algoritmos são baseados na dureza do problema do logaritmo discreto em campos finitos usando aritmética modular. Eles são usados em troca -chave (DH), assinaturas digitais (DSA) e criptografia (Elgamal). O algoritmo de Shor pode interromper problemas de logaritmo discreto com a mesma eficiência que a fatoração inteira. As estimativas atuais sugerem que o DH-2048 ou o DSA-2048 pode ser quebrado em horas ou dias em um grande computador quântico usando aproximadamente 4.000 qubits lógicos.
Padrões de criptografia pós-cantum
Processo de padronização NIST
O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) finalizou três padrões iniciais de criptografia pós-Quantum:
FIPS 203 (ML-KEM): Mecanismo de encapsulamento de chave baseado em módulo, derivado de Crystals-Kyber, servindo como padrão principal para a criptografia geral. ML-KEM outline três conjuntos de parâmetros:
- ML-KEM-512: Fornece segurança de linha de base com chaves de encapsulamento de 800 bytes, teclas de decapulação de 1.632 bytes e textos cifrados de 768 bytes
- ML-KEM-768: Segurança aprimorada com chaves de encapsulamento de 1.184 bytes, chaves de decapulação de 2.400 bytes e textos cifrados de 1.088 bytes
- ML-KEM-1024: Nível de segurança mais alto com tamanhos de chave proporcionalmente maiores
FIPS 204 (ML-DSA): Algoritmo de assinatura digital baseada em módulo-lattice, derivada de cristais-dilítio, pretendida como o principal padrão de assinatura digital. As avaliações de desempenho mostram o ML-DSA como um dos algoritmos de assinatura pós-Quantum mais eficientes para várias aplicações.
FIPS 205 (SLH-DSA): Algoritmo de assinatura digital baseada em hash de hash, derivada do SPHINCS+, fornecendo um método de assinatura de backup baseado em diferentes fundações matemáticas. Embora o SLH-DSA ofereça fortes garantias de segurança, normalmente envolve tamanhos de assinatura maiores e custos computacionais mais altos em comparação com alternativas baseadas em treliça.
Desafios e considerações de implementação
A transição para a criptografia pós-Quantum apresenta vários desafios significativos:
Sobrecarga de desempenho: Os algoritmos pós-Quantum normalmente requerem mais recursos computacionais do que os métodos criptográficos clássicos. Os sistemas incorporados enfrentam restrições específicas em termos de poder de computação, consumo de energia e uso de memória. A pesquisa indica que, embora alguns algoritmos de PQC possam ser mais eficientes em termos de energia do que os métodos tradicionais em cenários específicos, o impacto geral varia significativamente com base na implementação e no caso de uso.
Implicações do tamanho da chave: Muitos algoritmos pós-Quantum requerem tamanhos-chave significativamente maiores em comparação com os algoritmos tradicionais de chave pública. Por exemplo, Kems baseado em código, como o clássico McElieces, possui chaves públicas com várias centenas de quilobytes de tamanho, substancialmente maiores que as chaves públicas RSA ou ECC. Esses tamanhos de chave maiores aumentam os requisitos de largura de banda e as necessidades de armazenamento, particularmente desafiador para dispositivos com restrição de recursos.
Complexidade de integração: A implementação da criptografia pós-Quantum requer uma integração cuidadosa com os protocolos de segurança existentes. Muitas organizações precisarão operar em ambientes criptográficos híbridos, onde as soluções resistentes à quântica são integradas ao lado dos métodos de criptografia clássica durante o período de transição.
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