Post-Quantum Transition for high-level schemes

Jiří Hrachovina

Published Jan 1, 2026• 0 citations

Abstract

Vývoj výkonných kvantových počítačů představuje dlouhodobou hrozbu pro asymetrické algoritmy využívané v protokolech pro registraci certifikátů, jako jsou SCEP a EST. Tato práce analyzuje, ve kterých částech uvedené protokoly spoléhají na algoritmy zranitelné vůči kvantovým útokům, zejména na RSA, ECDSA a ECDH, a navrhuje možnosti migrace založené na hybridní a postkvantové kryptografii. Pro autentizaci, prokazování vlastnictví soukromého klíče, certifikáty, žádosti o certifikát a struktury CMS jsou uvažovány kompozitní podpisy ML-DSA. Pro kvantově odolné ustanovení klíče jsou uvažovány mechanismy založené na ML-KEM. Práce dále porovnává protokoly SCEP a EST a dochází k závěru, že EST představuje vhodnější základ pro postkvantovou migraci, zejména díky povinnému bezpečnostnímu modelu založenému na TLS. Vybrané klasické a postkvantové algoritmy jsou testovány na mikrokontrolérové platformě STM32WB55RG z hlediska výkonnosti, využití paměti a komunikační režie. Součástí práce je také experimentální implementace postkvantového prototypu EST. Výsledky ukazují, že ML-KEM-512 a ML-DSA-44 jsou vhodnou volbou pro omezené klienty EST a že postkvantová registrace certifikátů pomocí EST je na Cortex-M4 STM32WB55RG proveditelná.

Related papers

Integrating PQC into standard industry protocols

Jaroslav Spolek

Tato diplomová práce se zabývá možnostmi integrace postkvantové kryptografie do pro- tokolů a systémů využívaných v průmyslovém prostředí a v prostředí infrastruktury veřej- ných klíčů. V teoretické části jsou popsány systémy infrastruktury veřejných klíčů, certi- fikáty standardu X.509 a moderní kryptografické algoritmy včetně postkvantové krypto- grafie. Dále jsou analyzovány protokoly EST, SCEP, LoRaWAN a ACME, u nichž byly identifikovány kryptografické mechanismy a možnosti jejich nahrazení za kvantově odolné varianty. S ohledem na infrastrukturu veřejných klíčů pak byly prozkoumány některé ve- řejně dostupné systémy pro management PKI a z nich byl vybrán systém LamassuIoT pro integraci postkvantové ochrany do jeho mechanismů distribuce certifikátů. Implementace byla zaměřena na proces distribuce certifikátů pomocí protokolu EST v systému Lamas- suIoT. Systém byl rozšířen o podporu podpisového schématu ML-DSA a komunikační proces protokolu EST byl převeden na hybridní výměnu klíče ML-KEM-768+X25519. Funkčnost byla ověřena pomocí klientské sady na STM32. Výsledná konfigurace byla změřena a naměřené hodnoty ukazují dopad kvantově odolných kryptografických algo- ritmů na provozní vlastnosti systému. Naměřené hodnoty byly srovnány s teoretickým odhadem založeným na údajích uvedených v oficiálních specifikacích algoritmů. Měření dopadu na výkon bylo provedeno, ale jeho výsledky neprokázaly zásadní zvýšení výpočetní náročnosti na straně serveru.

Jan 1, 20260 citations

Protocol extension to support post-quantum cryptography

Patrik Lažek

Tato bakalářská práce se zabývá zabezpečením protokolu MQTT s ohledem na rizika spojená s nástupem kvantových počítačů. Vzhledem k tomu, že současné asymetrické kryptografické algoritmy (RSA, ECC) jsou zranitelné vůči Shorovu algoritmu, představuje tato hrozba kritický problém zejména pro zařízení internetu věcí (IoT) s dlouhým životním cyklem. Text analyzuje vybrané algoritmy standardizačního procesu NIST a navrhuje autentizační schéma na aplikační vrstvě, které přenáší postkvantová data pomocí zpráv PUBLISH protokolu MQTT v5.0. Navržené řešení kombinuje algoritmus ML-KEM (Kyber) pro ustavení klíče a Falcon-512 pro digitální podpis, čímž zajišťuje autentizaci brokeru a ustavení dočasného klíče relace. Praktická část práce obsahuje implementaci bezpečnostního pluginu pro broker Eclipse Mosquitto s využitím knihovny liboqs a klientského firmwaru pro ESP32-C6 s využitím implementací z projektu PQClean. Provedené experimenty na hardwarové platformě ESP32-C6 ověřují proveditelnost tohoto přístupu v podmínkách omezených systémových zdrojů a kvantifikují dopad postkvantového podepisování a zapouzdření na latenci připojení, paměťovou náročnost a celkový objem přenášených dat.

Jan 1, 20260 citations

Quantum-Resistant User Privacy

Daniel Prachař

Tato diplomová práce se zabývá nastupující hrozbou kvantových počítačů a analýzou kvantově odolných metod pro ochranu soukromí. Obě témata jsou aktuálně hojně diskutovaná v oblasti bezpečnosti a kryptografie. Kvantové počítače představují riziko pro určité současné kryptografické systémy, proto je nezbytné analyzovat a vytvořit nové bezpečné metody, které budou této hrozbě odolávat. S rostoucí digitalizací osobních údajů se technologie chránící soukromí (PETs) stávají nezbytností, avšak jejich dosavadní realizace často spoléhají na zranitelné asymetrické algoritmy. Teoretická část práce se zaměřuje na popis kvantových počítačů, kvantových jevů a jejich dopadů na současnou kryptografii. Následně je analyzován současný stav vývoje kvantových počítačů, jsou představeny rodiny postkvantové kryptografie včetně aktuální standardizace a popsány současné metody pro ochranu soukromí uživatelů. Poté je provedeno porovnání výpočetní a paměťové náročnosti protokolů s nulovou znalostí (zk-SNARK, zk-STARK), skupinových podpisů a schémat atributové autentizace, které vycházejí z odborné literatury. Na základě tohoto porovnání byla posouzena vhodnost nasazení zmíněných metod v praxi a pro demonstraci konkrétního uživatelského scénáře byla vybrána konstrukce atributových pověření autorů Argo et al. Praktická část práce se věnuje implementaci tohoto řešení do podoby plně funkčního webového demonstrátoru. Navržená softwarová architektura kombinuje nízkoúrovňové kryptografické jádro v programovacím jazyce C s asynchronní orchestrační vrstvou v programovacím jazyce Python a interaktivním uživatelským rozhraním. Vyvinutý demonstrátor pokrývá celý životní cyklus pověření, od bezpečného vydání přes lokální zašifrované uložení až po anonymní prokázání vlastnictví atributů pomocí důkazu s nulovou znalostí. V závěru práce je provedeno výkonnostní zhodnocení demonstrátoru. Výsledky měření prokazují, že optimalizovaný postkvantový systém dosahuje latencí přijatelných pro reálné nasazení na běžných výpočetních zařízeních.

Jan 1, 20260 citations

Post-quantum cryptography in payment processing systems

Marek Čížek

Rychle se rozvíjející oblast kvantových technologií zásadně mění pohled na bezpečnost dnešní kryptografie. Tato bakalářská práce zkoumá, jak blížící se nástup prakticky použitelných kvantových počítačů ovlivní současné šifrovací postupy, zejména v citlivé oblasti platebních systémů. Zaměřuje se na technologie, které dnes ve světě plateb dominují — EMV čipy a infrastrukturu využívající RSA — a ukazuje, že právě tyto pilíře mohou být v budoucnu ohroženy kvantovými útoky. Práce shrnuje aktuální stav kryptografie v platebních kartách a jiných platebních metodách, identifikuje jejich slabiny ve vztahu ke kvantovým výpočtům a jak na danou problematiku reaguje průmysl. Součástí práce je také implementace demonstrační aplikace simulující scénář platební transakce. V rámci experimentální části jsou implementovány a porovnávány algoritmy RSA, ML-DSA-44 a SLH-DSA.

Jan 1, 20260 citations

Hybrid Quantum Computing: Practical Applications and Implementation

Jan Swiatkowski

Tato práce se zabývá metodikou mapování a spuštění prakticky uplatnitelných optimalizačních úloh jako Exact Set Cover, Knapsack, SAT na kvantových počítačích. Na rozdíl od klasických počítačů, které pracují s bity, využívají kvantové počítače kvantové qubity a jevy jako superpozice a provázanost, což jim umožňuje paralelně prohledávat rozsáhlé stavové prostory. Jsou proto vhodné zejména pro řešení složitých kombinatorických problémů, kde klasické algoritmy narážejí na výpočetní limity.Jádrem práce je hybridní solver pro problém Exact Set Cover využívající strategii Branch-and-Bound. V jejím rámci jsou selektivně generovány kvantové obvody založené na Groverově algoritmu pro relevantní podproblémy. Groverův algoritmus poskytuje kvadratické zrychlení pro nestrukturované prohledávání, což je důležité pro nalezení konfigurací. S ohledem na omezení současné generace hardwaru NISQ práce obsahuje komparativní analýzu výsledků ze simulátorů a reálných systémů IQM Star24 a IBM Marrakesh (Heron R2), včetně porovnání frameworků Qrisp a Qiskit. Výsledky těchto implementací optimalizačních úloh byly zhodnoceny pomocí Z-Score a byly porovnány požadavky daných kvantových obvodů pro experimentální instance problémů daných úloh. Dále byly provedeny experimenty zhodnocující prahovou hloubku kvantového obvodu, kdy se stane očekávaný výsledek obvodu nerozlišitelným. K potlačení šumu byla využita technika Matrix-free Measurement Mitigation (M3).Práce je zakončena praktickou metodickou příručkou pro vývoj hybridních kvantově-klasických aplikací. Také diskutuje výhody integrace kvantového počítače se superpočítačem v jedné fyzické lokaci a koordinaci alokace jejich zdrojů.

Jan 1, 20260 citations

Securing Quantum Key Distribution: Architecture, Threats, and Deployment Strategies

Sebastian Štefko

Pokroky v kvantovém počítání nás nutí zkoumat a implementovat nové metody ke klasické kryptografii s veřejným klíčem. Jednou z alternativ je kromě postkvantové kryptografie takzvaná kvantová distribuce klíče. Tato technika je spojena s budováním speciálních sítí schopných distribuovat sdílený klíč mezi libovolné dvě komunikující strany. Nejprve vysvětlíme bezpečnostní důsledky, které kvantové počítače představují pro dnes široce používané algoritmy asymetrické kryptografie. Jako řešení, kterým se budeme dále zabývat, jsou sítě pro kvantovou distribuci klíče. Je zmíněno několik reálných implementací a následně detailně popsána architektura s důrazem na bezpečnost. Je vysvětlena podstata informační bezpečnosti a provedena bezpečnostní analýza kvantových sítí. Její součástí je navržený bezpečnostní profil pro systém pro správu klíčů v kvantových sítích, napsaný podle specifikace Common Criteria. Dále navrhujeme techniky pro zvýšení bezpečnosti v obleastech: (i) doručení klíče k uživateli, (ii) posílení bezpečnosti klíče a (iii) propojení sítí. Nakonec vyvineme metodologii pro vývoj, implementaci a provozování kvantových sítí tak, aby mohla být aplikována na tyto nové sítě.

Jun 18, 20240 citations