[论文解读] A Survey on Post-Quantum Cryptography: State-of-the-Art and Challenges

Marel Alvarado, Luke Gayler+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本综述对后量子密码学进行了全面分析，区分了抗量子密码学与量子密码学。它评估了当前最先进算法，分析了实现挑战，并得出结论：由于实际限制，抗量子密码学目前比量子密码学更具可行性。

ABSTRACT

The paper explains that post-quantum cryptography is necessary due to the introduction of quantum computing causing certain algorithms to be broken. We analyze the different types of post-quantum cryptography, quantum cryptography and quantum-resistant cryptography, to provide a thorough understanding of the current solutions to the problems and their limitations. We explain the current state of quantum computing and how it has changed over time while discussing possible attacks on both types of post-quantum cryptography. Next, current post-quantum algorithms are discussed, and implementations are demonstrated. Lastly, we conclude that due to quantum cryptography's present limitations it is not a viable solution like it is often presented to be and that it is currently better to use quantum-resistant cryptography.

研究动机与目标

• 分析量子计算能力不断进步背景下后量子密码学的当前状态。
• 区分抗量子密码学与量子密码学，评估其各自的优势与劣势。
• 评估现有后量子算法的实际可行性与实现挑战。
• 评估对基于抗量子与基于量子的密码系统可能存在的潜在攻击。
• 为现实世界应用中的后量子安全提供最终评估结论。

提出的方法

• 系统性回顾与分类后量子密码学方法，包括基于格、基于编码、多变量和基于同源的方案。
• 分析领先后量子算法的当前发展状态与性能特性。
• 评估实现权衡，如密钥大小、计算开销和侧信道抗性。
• 比较理论安全假设与实际攻击面，包括已知的密码分析进展。
• 评估量子密码学的当前局限性，如基础设施依赖性和距离限制。
• 综合研究发现，以确定向密码迁移最实际且安全的路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 后量子密码学算法的主要类别是什么？它们在安全假设和性能方面有何不同？
• RQ2 当前量子计算的发展如何威胁现有的公钥密码系统（如RSA和ECC）？
• RQ3 量子密码学的关键实际限制是什么，阻碍了其广泛部署？
• RQ4 在效率、标准化进展和对已知攻击的抵抗能力方面，抗量子算法如何比较？
• RQ5 在当前现实系统中，哪种方法——抗量子密码学还是量子密码学——提供了更具可行性与可扩展性的解决方案？

主要发现

• 由于基础设施和可扩展性限制，抗量子密码学目前比量子密码学更具实际可行性和可部署性。
• 尽管量子密码学在理论上是安全的，但其在实际中面临显著限制，如传输距离短和实现成本高。
• 基于格和基于编码的方案展现出强大前景，因其性能优越且具有坚实的安全证明，其中多项已进入NIST标准化流程。
• 多变量和基于同源的方案仍不够成熟，密钥尺寸过大以及对新型密码分析技术可能存在潜在漏洞。
• 即使对于已标准化的后量子算法，侧信道攻击和实现缺陷仍是关键风险。
• 向后量子密码学的迁移需要谨慎的迁移规划，因为遗留系统可能无法在不进行重大更新的情况下支持新原语。