Kvanttiturvallinen salaus

Kvanttiturvallinen salaus (engl. post-quantum cryptography, PQC) tarkoittaa salausmenetelmää, joka tarjoaa tietoturvaa kun tulevaisuuden kvanttitietokoneet yleistyvät. Perinteisille tietokoneille vaikeat algoritmit ovat kvanttitietokoneilla helposti ratkaistavissa, jolloin esimerkiksi julkisen avaimen salaus voidaan murtaa kvanttitietokoneella.^[1][2] Esimerkiksi Peter Shorin vuonna 1994 esittelemä Shorin algoritmi olisi tehokas tapa alkulukujen etsimiseen kvanttitietokoneella ja mahdollisesti tehokkaampiakin tapoja on esitetty.^[3][4] Symmetrisen salauksen menetelmät eivät ole yleensä alttiita Shorin algoritmilla murtamiselle, mutta ne ovat alttiita Groverin algoritmilla murtamiselle. Groverin algoritmilla etsittäessä avaimen tarjoama suoja on ${\displaystyle {2^{n/2}}}$, jolloin 128-bittinen avain (AES-128, ${\displaystyle 2^{128}}$) tarjoaa vain 64-bittiseen avaimeen (${\displaystyle 2^{64}}$) verrattavan suojauksen.^[5] NIST ajaa hanketta kvanttiturvallisen salauksen standardoimisesta ja ilmoitti kolmen FIPS-standardin hyväksynnästä elokuussa 2024.^[6][5][7]

Vaikka kvanttitietokoneet voivat murtaa menetelmiä kuten RSA, DSA ja ECDSA, on olemassa myös joukko menetelmiä, jotka ovat turvallisia sekä kvanttitietokoneita että perinteisiä tietokoneita vastaan.^[8] Menetelmät, jotka riippuvat suurten lukujen jakamisesta alkutekijöihinsä, tai elliptisen käyrän salaus, ovat heikkoja kvanttitietokoneita vastaan.^[9] Kryptografiseen tiivisteeseen perustuva julkisen avaimen salaus on eräs menetelmä, joka on vahva myös kvanttitietokoneita vastaan. Kvanttitietokoneet eivät vielä ole onnistuneet ratkaisemaan NP-täydellisiä ongelmia. Monen muuttujan salaus on vahva, mutta sisältää hyväksikäytettäviä rakenteita ja heikkouksia löydetään jatkuvasti.^[8][9] Eräät tahot ovat aloittaneet siirtymisen hilapohjaisiin salausmenetelmiin, jotka perustuvat joukoille vektoreita.^[3][10]

NIST on hyväksynyt kolme FIPS-standardia kvanttiturvalliseen salaukseen:^[7]

• FIPS 203 on menetelmä avainten vaihtoon julkisen kanavan yli
• FIPS 204 ja FIPS 205 ovat digitaalisen allekirjoituksen menetelmiä

FIPS 203 kuvaa ML-KEM -avaintenvaihtomekanismin (Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism). Menetelmä sisältää algoritmeja, jotka perustuvat aiempaan CRYSTALS-Kyber -ehdotukseen eräillä eroavaisuuksilla. Menetelmässä käytetään tarkoituksella lisättyä häiriötä, jolloin lineaariyhtälön ratkaiseminen on vaikeaa ilman yksityistä avainta.^[11]

• Kvanttisalaus