[논문 리뷰] Post Quantum Cryptography: Readiness Challenges and the Approaching Storm

Matt Campagna, Brian LaMacchia외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 04.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 발전하는 양자 컴퓨팅이 현재의 공개키 암호 체계를 위협하기 때문에 글로벌 수준에서 양자에 강건한 암호(이하 PQC)로의 전환의 긴급성이 필요하다고 규명한다. 이 이전의 전환은 이해관계자 간의 협력 문제를 포함한 복잡성을 지닌다. 따라서 광범위한 공격이 가능해지기 전에 안전하고 질서정연하며 최소한의 혼란을 초래하는 양자에 강건한 알고리즘으로의 전환을 위해 즉각적인 준비가 필요하다고 주장한다.

ABSTRACT

While advances in quantum computing promise new opportunities for scientific advancement (e.g., material science and machine learning), many people are not aware that they also threaten the widely deployed cryptographic algorithms that are the foundation of today's digital security and privacy. From mobile communications to online banking to personal data privacy, literally billions of Internet users rely on cryptography every day to ensure that private communications and data stay private. Indeed, the emergence and growth of the public Internet and electronic commerce was arguably enabled by the invention of public-key cryptography. The key advantage offered by public-key cryptography is that it allows two parties who have never communicated previously to nevertheless establish a secure, private, communication channel over a non-private network (e.g., the Internet). Recent advances in quantum computing signal that we are on the cusp of our next cryptographic algorithm transition, and this transition to post-quantum cryptography will be more complicated and impact many more systems and stakeholders, than any of the prior migrations. This transition represents a major disruption within the IT industry and will broadly impact nearly every domain of our digital lives, from global commerce to social media to government and more. Cryptographic algorithm transitions take time and involve an extensive coordination effort across many stakeholders who are involved in building and operating the world's compute infrastructure. By preparing now for the upcoming transition to these new algorithms, we can ensure a more orderly, less costly, and minimally disruptive changeover.

연구 동기 및 목표

• 디지털 통신 및 인프라에서 사용되는 기존 공개키 암호 체계에 양자 컴퓨팅이 초래하는 체계적 위험을 분석하기.
• 이전의 암호 알고리즘 전환과 비교해 볼 때, 양자에 강건한 암호 알고리즘으로의 전환에 특유의 과제를 규명하기.
• 글로벌 IT 및 사이버보안 커뮤니티 전반에서 사전 준비의 긴급성을 강조하여, 안전하고 질서정연하며 비용 효율적인 전환을 보장하기.

제안 방법

• 논문은 암호 전문가 및 산업 이해관계자들의 통찰을 종합하여 PQC 표준화 및 구현 준비도의 현재 상태를 평가한다.
• 글로벌 시스템을 양자에 강건한 알고리즘으로 업그레이드하는 데 필요한 기술적, 조직적, 정책적 과제를 평가한다.
• 저자들은 잠재적인 양자 공격에 의한 기존 암호 체계의 붕괴 시점과 영향을 평가하기 위해 위험 기반 프레임워크를 사용한다.
• 과거의 암호 전환 사례를 기반으로, 향후 PQC 전환의 규모와 복잡성을 모델링한다.
• 다양한 이해관계자들이 협력하는 계획 수립과 표준화된 PQC 알고리즘의 조기 도입을 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 공개키 암호 체계에서 양자에 강건한 대안으로의 전환 과정에서 발생하는 주요 기술적 및 조직적 과제는 무엇인가?
• RQ2 향후 PQC로의 전환은 이전의 암호 알고리즘 전환과 비교해 어떤 차이가 있으며, 규모와 복잡성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 양자 암호 표준을 도입하는 데 지연이 발생할 경우 발생할 수 있는 잠재적 결과는 무엇인가?
• RQ4 협력과 표준화가 안전하고 효율적인 PQC로의 전환을 보장하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 정부, 산업계, 학계의 이해관계자들이 디지털 보안에 대한 양자 위협에 사전에 대비해 어떻게 준비할 수 있는가?

주요 결과

• PQC로의 전환는 이전의 어떤 암호 전환보다도 더 복잡하고 광범위하게 영향을 미치며, 전 세계적으로 거의 모든 디지털 시스템에 영향을 줄 것이다.
• 많은 널리 사용되는 암호 프로토콜과 시스템은 대규모 양자 컴퓨터에 의해 공격을 받을 수 있으며, 이는 현재의 RSA 및 ECC와 같은 공개키 체계를 해독할 수 있다.
• 양자 위협의 시점은 불확실하지만 점점 다가오고 있으며, 이에 따라 최후의 순간에 혼란을 피하기 위해 즉각적인 조치가 필요하다.
• NIST가 진행 중인 표준화 노력은 진전되고 있지만, 이질적인 시스템 간의 구현을 위해서는 광범위한 협력과 테스트가 필요하다.
• 사전 준비는 비용을 크게 줄이고, 혼란을 최소화하며, 글로벌 인프라의 디지털 보안 유지에 기여할 수 있다.