Practical Migration to Post-Quantum Cryptography: Implementing and Benchmarking Hybrid Cryptographic Schemes

Sagadat Seitzhan

Published May 15, 2026• 0 citations

Abstract

Tato práce zkoumá praktickou migraci k postkvantové kryptografii se zaměřením na hybridní schémata v TLS 1.3. Teoretická část shrnuje kvantové hrozby pro klasickou kryptografii, základní principy postkvantových algoritmů a důvody, proč se v praxi používají hybridní přechodová schémata. V reálné cloudové infrastruktuře jsou nasazeny varianty TLS serveru NGINX: jedna s klasickou výměnou klíčů X25519 a druhá s hybridním X25519MLKEM768. Dopad hybridního schématu je vyhodnocen experimentálně pomocí opakovatelných měření latence na požadavek, propustnosti handshake a rozkladu navazování spojení na jednotlivé protokolové vrstvy. Zdrojový kód, měřicí skripty i datové sady jsou zveřejněny pro podporu reprodukovatelnosti.

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

Post-Quantum Transition for high-level schemes

Jiří Hrachovina

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.

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

Kvantová kryptografie – teorie a praxe

Filip Jankú

Tato diplomova prace se zabýva potřebou utajovani informaci a vhodnými způsoby, jak takových cilů dosahnout. V uvodu je popsana strucna historie kryptologie, od podob jejiho prvniho využiti až po pokrocile kryptograficke postupy soucasne doby. Tato cast dale poslouži pro lepsi pochopeni principů kvantove kryptografie v dalsich kapitolach, doda kvantove kryptografii historický kontext a definuje zakladni pojmy. V nasledujicich kapitolach bliže zkouma principy samotne kvantove kryptografie. Po seznameni se již naplno věnuje aktualnim trendům v oblasti kvantove kryptografie a praktickým aplikacim ve světě i v Ceske republice. Na zavěr jsou rozebrany možnosti využiti teto velmi zajimave technologie v budoucnosti.

Jan 1, 20130 citations

Challenges of quantum cryptography

Lukáš Novotný

V první části bakalářské práce si představíme základy klasické kryptografie počínaje základní terminologií a historií kryptografie. Dále je popsané symetrické šifrování rozdělené na proudovou a blokovou šifru. Následuje popis problému distribuce klíčů a s ním související asymetrické šifrování. Konec první části je věnován bezpečnosti asymetrického šifrování a současnému vývoji postkvantové kryptografie. V druhé části jsou popsány základní vlastnosti qubitu, provázané stavy a jejich spojitost s Bellovými nerovnostmi. Dále jsou charakterizovány základní principy kvantové kryptografie a protokol BB84. Speciálně je pak zmíněna kvantová kryptografie využívající provázaných stavů a Bellových nerovností s popsáním Ekertova protokolu. Konec práce se zabývá realizací kvantové kryptografie.

Aug 30, 20240 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