Национальный институт стандартов и технологий США стандартизировал три алгоритма постквантового шифрования

По информации OpneNET, первый стандартизированный алгоритм (CRYSTALS-Kyber) определяет способ инкапсуляции ключей и предназначен для шифрования обмена данными, а два других (CRYSTALS-Dilithium и Sphincs+) реализуют варианты формирования цифровых подписей, которые могут использоваться для решения задач, связанных с аутентификацией.

Для избежания путаницы в NIST стандартизированные варианты алгоритмов были переименованы: CRYSTALS-Kyber в ML-KEM, CRYSTALS-Dilithium в ML-DSA, а Sphincs+ в SLH-DSA. Выбранные алгоритмы разрабатываются с 2016 года и являются победителями ранее объявленного NIST конкурса по разработке алгоритмов постквантовой криптографии.

Активно развивающиеся последнее время квантовые компьютеры кардинально быстрее решают задачи разложения натурального числа на простые множители (RSA) и дискретного логарифмирования точек эллиптической кривой (ECDSA), которые лежат в основе современных асимметричных алгоритмов шифрования по открытым ключам, эффективно не решаемых на классических процессорах. На текущем этапе развития возможностей квантовых компьютеров пока недостаточно для взлома актуальных классических алгоритмов шифрования и цифровых подписей на базе открытых ключей, таких как ECDSA, но предполагается, что ситуация может измениться уже в этом десятилетии.

В NIST приняты стандарты:

• FIPS 203 - рассматривается как основной стандарт для шифрования данных, использующий алгоритм CRYSTALS-Kyber (ML-KEM - Module-Lattice Key-Encapsulation Mechanism) для организации обмена ключами между сторонами, выполняющими шифрование и расшифровку данных. Алгоритм CRYSTALS-Kyber использует методы криптографии, основанные на решении задач теории решёток, время решения которых не отличается на обычных и квантовых компьютерах. Достоинствами выбранного алгоритма являются относительно небольшой размер ключей и высокая скорость работы.

• FIPS 204 - первичный стандарт для формирования цифровых подписей, основанный на алгоритме CRYSTALS-Dilithium (ML-DSA - Module-Lattice Digital Signature Algorithm), который как и CRYSTALS-Kyber базируется на теории решёток.

• FIPS 205 - альтернативный стандарт для формирования цифровых подписей, использующий алгоритм Sphincs+ (SLH-DSA - Stateless Hash-Based Digital Signature Algorithm), который применяет методы криптографии на основе хеш-функций. Sphincs+ отстаёт от CRYSTALS-Dilithium по размеру подписей и скорости работы, но базируется на совершенно иных математических принципах, т.е. останется эффективен в случае компрометации алгоритмов на основе теории решёток.

Кроме того, в NIST до конца года планируется утвердить четвёртый стандарт FIPS 206, предназначенный для работы с цифровыми подписями и основанный на алгоритме FALCON, который как и алгоритмы CRYSTALS-Kyber и CRYSTALS-Dilithium основан на решении задач теории решёток, но в отличие от них ориентирован на применения, в которых требуется минимальный размер подписи. Стандартизированный вариант алгоритма FALCON будет поставляться под именем FN-DSA (FFT (быстрое преобразование Фурье) over NTRU-Lattice Digital Signature Algorithm). До конца года также планируется выбрать алгоритмы для создания альтернативных стандартов общего шифрования, которые будут основаны на иных принципах работы, чем задействованные в стандарте FIPS 203 на базе алгоритма CRYSTALS-Kyber.