[论文解读] Post-Quantum Cryptography Algorithms Standardization and Performance Analysis

Manish Kumar|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文对后量子密码学（PQC）标准化工作进行了全面分析，评估了主流抗量子算法的性能与可行性。研究考察了基于格、基于编码和基于同源的方案，突出展示了密钥大小、运行时内存和CPU周期之间的权衡，并得出结论：尽管PQC算法具有可行性，但在广泛部署于现实系统之前仍需进行大量优化。

ABSTRACT

Quantum computer is no longer a hypothetical idea. It is the worlds most important technology and there is a race among countries to get supremacy in quantum technology. Its the technology that will reduce the computing time from years to hours or even minutes. The power of quantum computing will be a great support for the scientific community. However, it raises serious threats to cybersecurity. Theoretically, all the cryptography algorithms are vulnerable to attack. The practical quantum computers, when available with millions of qubits capacity, will be able to break nearly all modern public-key cryptographic systems. Before the quantum computers arrive with sufficient qubit capacity, we must be ready with quantum-safe cryptographic algorithms, tools, techniques, and deployment strategies to protect the ICT infrastructure. This paper discusses in detail the global effort for the design, development, and standardization of various quantum-safe cryptography algorithms along with the performance analysis of some of the potential quantum-safe algorithms. Most of the quantum-safe algorithms need more CPU cycles, higher runtime memory, and large key size. The objective of the paper is to analyze the feasibility of the various quantum-safe cryptography algorithms.

研究动机与目标

• 评估全球在后量子密码学（PQC）算法标准化方面的进展。
• 评估主流PQC候选算法的性能特征，包括密钥大小、内存使用和CPU周期。
• 分析在现有ICT基础设施中部署抗量子密码学的可行性。
• 识别采用PQC算法时的性能瓶颈与系统级挑战。
• 在大规模量子计算机出现之前，支持向抗量子密码学的过渡。

提出的方法

• 系统性回顾NIST及其他国际机构主导的PQC标准化举措。
• 对选定的PQC算法（包括Kyber、Dilithium、Falcon和SPHINCS+）进行性能基准测试。
• 通过密钥大小、内存占用和执行时间等指标分析计算开销。
• 对比不同算法族：基于格、基于编码、基于哈希和基于同源的密码学。
• 评估不同硬件平台和软件环境中实现效率的差异。
• 将研究发现综合为现实部署的可行性评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前全球在后量子密码学算法标准化方面有哪些努力？
• RQ2 主流PQC算法在密钥大小、内存使用和CPU周期方面的性能特征如何比较？
• RQ3 在现有ICT基础设施中部署抗量子密码学的主要系统级挑战是什么？
• RQ4 哪些PQC算法在实际部署中表现出最有利的权衡？
• RQ5 当前PQC候选算法在从经典密码学向抗量子密码学迁移方面准备得如何？

主要发现

• 基于格的方案（如Kyber和Dilithium）表现出优异性能，密钥大小适中，签名操作高效，是标准化的有力候选者。
• 基于哈希的方案（如SPHINCS+）提供强大的安全保证，但需要较大的公钥和较高的计算开销，限制了其在带宽受限环境中的应用。
• 基于同源的方案（如SIKE）虽理论安全，但在实践中已被攻破，严重削弱了其可行性。
• 基于编码的方案（如BIKE和HQC）展现出良好的安全性，但密钥尺寸过大且内存消耗高，降低了实用性。
• 总体而言，PQC算法所需的CPU周期和内存远超经典密码学，表明亟需硬件与软件优化。
• NIST的标准化进程已取得显著进展，Kyber、Dilithium、Falcon和SPHINCS+已被选为最终候选，表明其已具备在关键系统中部署的准备。