A tecnologia Blockchain emergiu como um avanço revolucionário na era digital de hoje, transformando tudo, desde transações financeiras até segurança de dados. Para salvaguardar e validar transações, o blockchain depende de algoritmos criptográficos complicados. No entanto, à medida que nos aproximamos de uma nova revolução tecnológica com o advento da computação quântica, a durabilidade dos actuais padrões de encriptação está a ser posta em causa.

Com sua capacidade de processamento incomparável, a computação quântica tem potencial para quebrar os protocolos criptográficos tradicionais que servem como base da segurança do blockchain. Esta ameaça iminente exige a criação de uma nova era de criptografia: Criptografia Pós-Quantum (PQC). À medida que exploramos este novo território, é fundamental compreender os princípios da criptografia blockchain e como a computação quântica pode transformar o cenário da segurança digital.

Veremos o status atual da criptografia no blockchain, a influência disruptiva da computação quântica e como a criptografia pós-quântica pode ser a chave para proteger nosso futuro digital nas seções a seguir.

Compreendendo a criptografia em Blockchain

Para manter a sua integridade e segurança, a tecnologia blockchain, que serve como espinha dorsal das atuais transações digitais e segurança de dados, emprega uma variedade de abordagens criptográficas. Essas abordagens são categorizadas aproximadamente em três tipos: criptografia de chave simétrica, criptografia de chave assimétrica e funções hash, cada uma das quais desempenha um papel distinto no ecossistema blockchain.

Criptografia de chave simétrica

A criptografia de chave simétrica utiliza uma única chave para criptografia e descriptografia. Esta abordagem é conhecida pela sua eficácia na criptografia de dados. Apesar de fornecer criptografia rápida e eficiente, a criptografia de chave simétrica é menos comum em blockchain devido às dificuldades na transmissão segura da chave entre o remetente e o destinatário. Esta restrição é crítica num sistema descentralizado como o blockchain, onde a confiança e a segurança são críticas.

Leia mais: https://www.gate.io/learn/articles/what-is-metric-key-cryptography/305

Criptografia de chave assimétrica

A criptografia de chave assimétrica, em contraste com as abordagens simétricas, usa duas chaves: uma chave pública para criptografia e uma chave privada para descriptografia. Devido ao seu potencial para permitir o compartilhamento seguro de dados entre inúmeras partes, esta abordagem é cada vez mais comumente usada em aplicações blockchain. Apesar de ser mais lenta que as abordagens de chave simétrica, proporciona maior escalabilidade e segurança, tornando-a crucial para circunstâncias como transações de bitcoin, onde a confiança entre as partes é essencial.

Leia mais: https://www.gate.io/learn/articles/what-are-ametrickey-algorithms/32

Funções hash

As funções hash são essenciais para a tecnologia blockchain, pois não requerem chaves. Em vez disso, eles transformam o texto simples em um valor hash de comprimento fixo, garantindo a integridade e a segurança dos dados. Essas funções são essenciais para estabelecer um ambiente blockchain seguro e confiável. Eles são essenciais para conectar blocos no blockchain, garantindo que cada bloco esteja vinculado de forma segura e imutável ao seu antecessor.

O papel da criptografia em aplicações Blockchain

A criptografia blockchain é diversa, com cada técnica cumprindo funções distintas que contribuem para a segurança geral, confiabilidade e funcionamento das redes blockchain. Aqui estão algumas das áreas mais comuns em que a criptografia é usada no blockchain.

• Assinaturas Digitais: Fornece equivalentes digitais de assinaturas do mundo real, oferecendo autenticação, integridade e não repúdio. Eles são essenciais para verificação de transações no blockchain.
• Segurança de Transações: Algoritmos criptográficos, como SHA-256, são empregados em criptomoedas, formando a espinha dorsal de transações de moeda digital seguras e confiáveis.
• Contratos Inteligentes: Princípios criptográficos são utilizados na execução de contratos inteligentes, que executam ações de forma autônoma com base em condições predefinidas, aumentando a eficiência e a confiabilidade nas transações blockchain.
• Gerenciamento de identidade e acesso: Blockchain aproveita métodos criptográficos para gerenciar identidades digitais com segurança, oferecendo soluções robustas para privacidade de dados e acesso controlado.

Visão geral da computação quântica

A computação quântica é um enorme avanço na tecnologia da computação que é fundamentalmente diferente da computação normal. Enquanto os computadores normais utilizam bits (0s e 1s) para processar informações, os computadores quânticos usam bits quânticos ou qubits. Devido às leis de superposição e emaranhamento, que são ideias fundamentais na mecânica quântica, estes qubits podem existir em vários estados ao mesmo tempo. Isto permite que os computadores quânticos processem enormes quantidades de dados a taxas surpreendentes, excedendo consideravelmente as capacidades dos supercomputadores mais poderosos da atualidade.

O impacto potencial da computação quântica em vários setores é tremendo, especialmente em campos que exigem resolução de problemas e processamento de dados complicados. No entanto, o seu maior potencial disruptivo reside na sua capacidade de desafiar as abordagens de encriptação existentes. A criptografia depende significativamente de questões matemáticas que agora são difíceis ou inviáveis de resolver usando a computação regular. Com as suas poderosas capacidades de processamento, a computação quântica ameaça desvendar as abordagens de encriptação existentes, representando um enorme risco de segurança para múltiplos sistemas, incluindo a tecnologia blockchain.

Vulnerabilidades expostas pela computação quântica

Fonte: https://cybersecurityglossary.com/rivest-shamir-adleman-rsa/

Vulnerabilidade de criptografia RSA

A dificuldade de fatorar grandes números primos é a base da criptografia RSA , um sistema criptográfico de chave pública amplamente utilizado. Muitos protocolos de segurança digital dependem desta abordagem criptográfica. Os computadores quânticos podem quebrar a criptografia RSA muito mais rápido do que os computadores convencionais. Algoritmos criados expressamente para computadores quânticos, como o algoritmo de Shor, podem resolver rapidamente problemas de fatoração de primos, comprometendo a segurança proporcionada pela criptografia RSA.

ECC (criptografia de curva elíptica) em risco

A dificuldade de fatorar grandes números primos é a base da criptografia RSA, um sistema criptográfico de chave pública amplamente utilizado. Muitos protocolos de segurança digital dependem desta abordagem criptográfica. Os computadores quânticos têm a capacidade de quebrar a criptografia RSA muito mais rápido do que os computadores convencionais. Algoritmos criados expressamente para computadores quânticos, como o algoritmo de Shor, podem resolver rapidamente problemas de fatoração de primos, comprometendo a segurança proporcionada pela criptografia RSA.

Algoritmos Hash e Computação Quântica

Funções de hash criptográfico, como SHA-256, são essenciais para integridade e autenticação de dados. Eles são amplamente utilizados em uma ampla gama de aplicações criptográficas, incluindo blockchain. Embora se acredite que as funções hash sejam mais resistentes a ataques quânticos, elas não são completamente imunes. Ataques de colisão, como a técnica de Grover, poderiam teoricamente acelerar o processo de identificação dos dados de entrada de um hash, embora de forma menos dramática do que o impacto no RSA ou no ECC.

Introdução à criptografia pós-quântica (PQC)

Criptografia Pós-Quantum (PQC) refere-se a algoritmos criptográficos considerados seguros contra ataques de computadores quânticos. À medida que a computação quântica avança, ela representa uma ameaça substancial aos algoritmos de criptografia tradicionais, que são essenciais para proteger as comunicações e os dados digitais. Esta ameaça iminente acelerou o desenvolvimento do PQC, que se esforça para criar sistemas criptográficos que sejam seguros mesmo face às capacidades melhoradas dos computadores quânticos.

O PQC não envolve o uso de tecnologia quântica em criptografia (como na distribuição de chaves quânticas), mas sim o desenvolvimento de algoritmos que os computadores clássicos (não quânticos) ainda podem executar, mas os computadores quânticos não podem quebrar facilmente. A importância do PQC decorre do seu papel potencial na proteção de dados e comunicações sensíveis contra futuros ataques quânticos, o que é fundamental para garantir a segurança a longo prazo numa variedade de indústrias, incluindo segurança nacional, finanças e proteção de dados pessoais.

O papel potencial do PQC

• Protegendo a tecnologia Blockchain: Dada a dependência do blockchain em protocolos criptográficos para transações e contratos inteligentes, o PQC é vital para sua segurança contínua.
• Garantindo a segurança dos dados a longo prazo: o PQC fornece um caminho para proteger as comunicações digitais atuais e futuras contra a potencial descriptografia quântica.
• Adaptabilidade: O objetivo é desenvolver algoritmos PQC que possam ser integrados à infraestrutura existente com o mínimo de interrupção.

Função do NIST e algoritmos PQC

O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) é extremamente importante no desenvolvimento e padronização de algoritmos PQC. Reconhecendo desde o início a ameaça quântica, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) lançou um procedimento para solicitar, avaliar e padronizar um ou mais algoritmos de criptografia de chave pública resistentes a quânticos. O objetivo não é simplesmente desenvolver algoritmos que possam resistir a ataques quânticos, mas também garantir que sejam eficientes e fáceis de executar.

O NIST selecionou sete algoritmos para avaliação adicional entre os muitos envios recebidos, concentrando-se em várias abordagens criptográficas. De acordo com as atualizações mais recentes, quatro tipos de algoritmos são muito promissores:

Criptografia baseada em rede: Esses algoritmos são baseados em problemas de rede, que envolvem encontrar o vetor mais curto ou mais próximo em uma rede de alta dimensão. Eles são considerados difíceis de resolver até mesmo para computadores quânticos. Os exemplos incluem o problema de Aprendizagem com Erros (LWE) e suas variantes.

Criptografia Baseada em Código: Originados de códigos de correção de erros, esses algoritmos são baseados na dificuldade de decodificação de um código linear geral. Eles são estudados há décadas e são conhecidos por sua resistência a ataques quânticos.

Criptografia Polinomial Multivariada: Esses algoritmos envolvem a resolução de sistemas de polinômios multivariados, o que é um problema conhecido e difícil. São atrativos pela eficiência e pelo pequeno tamanho das teclas.

Criptografia baseada em hash: envolve a criação de assinaturas digitais usando funções hash. A segurança desses algoritmos decorre da resistência das funções hash a ataques de colisão, pré-imagem e segunda pré-imagem.

Relevância para a segurança Blockchain

Integração com a infraestrutura Blockchain existente: Os algoritmos PQC selecionados precisam ser compatíveis com os sistemas blockchain existentes, exigindo uma consideração cuidadosa de sua integração e implantação.

Garantir a viabilidade a longo prazo das redes Blockchain: À medida que a tecnologia blockchain continua a evoluir e a ser amplamente adotada, a integração do PQC será crítica para garantir a sua resiliência contra ameaças quânticas.

Equilibrando desempenho e segurança: Dadas as restrições de recursos de muitas redes blockchain, os algoritmos PQC escolhidos devem encontrar um equilíbrio entre eficiência computacional e segurança robusta.

PQC é uma técnica proativa para proteger sistemas criptográficos contra ameaças de computação quântica. O envolvimento do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) na padronização de algoritmos PQC é fundamental para a segurança futura de inúmeras tecnologias, incluindo blockchain. A adoção desses algoritmos será crítica para a segurança e sobrevivência a longo prazo das redes blockchain no futuro pós-quântico.

Implementando PQC em Blockchain: Estratégias e Desafios

Com a chegada da computação quântica que se aproxima, incluir o PQC no blockchain é fundamental para garantir sua segurança a longo prazo. Isto é fundamental, uma vez que as tecnologias blockchain são cada vez mais utilizadas para uma ampla gama de aplicações, incluindo transações financeiras e gestão de identidade. O modelo de confiança do blockchain é baseado na sua segurança criptográfica. O PQC é fundamental para preservar a confiança, garantindo que as transações e os dados estejam seguros contra ameaças quânticas.

Principais desafios na implementação do PQC

• Seleção e padronização de algoritmos: escolha dos algoritmos PQC certos que sejam seguros contra ataques quânticos e eficientes o suficiente para aplicações blockchain.
• Integração com sistemas existentes: A atualização de sistemas blockchain existentes com novos algoritmos PQC sem interromper suas operações apresenta um desafio técnico significativo.
• Considerações de desempenho: Algoritmos PQC, em geral, requerem mais recursos computacionais. Garantir que eles não prejudiquem significativamente o desempenho dos sistemas blockchain é crucial.
• Gerenciamento e armazenamento de chaves: A transição para o PQC pode envolver mudanças nas práticas de gerenciamento e armazenamento de chaves, já que os algoritmos PQC geralmente têm requisitos de estrutura e tamanho de chave diferentes.

Soluções potenciais

• Implementação em fases: introdução gradual do PQC, permitindo testes e otimização antes da implantação completa.
• Sistemas criptográficos híbridos: A combinação dos métodos criptográficos atuais com algoritmos PQC pode fornecer um equilíbrio entre segurança e desempenho durante o período de transição.
• Colaboração com a comunidade criptográfica: Trabalhar em estreita colaboração com especialistas em criptografia para se manter atualizado com os mais recentes desenvolvimentos e práticas recomendadas de PQC.

Abordagem em camadas para integração PQC em Blockchain

Camada de hardware

Para atender às necessidades computacionais dos algoritmos PQC, os nós de uma rede blockchain podem exigir atualizações de hardware. Isso inclui CPUs mais rápidas e maiores capacidades de memória. Para suportar algoritmos PQC, hardware criptográfico especializado, como Módulos de Segurança de Hardware (HSMs), pode precisar ser modificado ou substituído, garantindo geração, armazenamento e gerenciamento seguros de chaves.

Camada de dados

A transição para PQC para dados armazenados na blockchain implica a adoção de técnicas de criptografia resistentes a quantum. Isto poderia implicar cargas criptografadas maiores e, como resultado, mudanças nos procedimentos de armazenamento e processamento de dados. Embora as funções hash sejam mais resistentes a quantum em geral, é fundamental avaliar sua segurança contra ataques quânticos. Quaisquer atualizações necessárias envolveriam a garantia de que a integridade dos dados do blockchain não seja comprometida.

Camada de rede

O PQC não deve apenas proteger os dados das transações, mas também as conexões de comunicação entre os nós. Isto inclui criptografia de dados em trânsito e autenticação de solicitações de rede, o que pode exigir o desenvolvimento de novos protocolos ou atualizações dos atuais.

Camada de consenso

Para permitir o PQC, os métodos de consenso da blockchain (como Prova de Trabalho ou Prova de Participação) podem precisar ser modificados. Mudanças na forma como os blocos são validados e adicionados ao blockchain poderiam ser implementadas para garantir que o processo de consenso permaneça à prova de falsificação diante de ameaças quânticas.

Camada de incentivo

O uso do PQC pode alterar a dinâmica computacional da participação na rede blockchain. Para alinhar os incentivos com os novos protocolos de segurança, as estruturas de recompensa para mineiros ou validadores poderão ter de ser reavaliadas.

Camada de Contrato

Os contratos inteligentes, que são frequentemente fundamentais para a operação da blockchain, devem ser examinados quanto à segurança criptográfica num mundo pós-quântico. Para usar algoritmos PQC, os desenvolvedores podem precisar construir novos contratos ou alterar os existentes, garantindo que sua execução permaneça segura contra ataques quânticos.

Camada de aplicação

Para suportar futuros padrões criptográficos, as aplicações e interfaces do usuário final, como carteiras e plataformas de câmbio, precisarão ser atualizadas. Isso inclui garantir que as APIs sejam capazes de lidar com novos formatos de chave e tecnologias de criptografia, e que as interfaces de usuário sejam construídas para conduzir facilmente os usuários através de quaisquer novos processos de segurança.

Estudos de caso e aplicações do mundo real

Razão Resistente Quântica (QRL)

O Quantum Resistance Ledger (QRL) é um projeto notável em tempo real que incorpora criptografia pós-quântica na tecnologia blockchain. QRL é uma tecnologia blockchain que foi desenvolvida especificamente para ser resistente a ataques de computação quântica. Este projeto se destaca pelo uso de métodos de computação pós-quântica para alcançar segurança absoluta, conforme verificado pelas auditorias red4sec e x41 D-sec.

Fonte: https://www.theqrl.org/

Principais recursos do projeto QRL:

• Suporte multiplataforma: QRL oferece suporte a uma ampla variedade de plataformas de interação do usuário, incluindo aplicativos de desktop para Windows, Mac e Linux, aplicativos móveis para iOS e Android e interfaces web.
• Suporte a carteira de hardware: O projeto oferece suporte a carteiras de hardware como a Ledger Nano S, que melhora a segurança dos ativos digitais.
• Suporte e notarização de mensagens on-chain: QRL oferece suporte e notarização de mensagens on-chain, que adicionam camadas de funcionalidade ao blockchain.
• Integração Keybase ID: Esta funcionalidade melhora a identificação do usuário e a segurança dentro do ecossistema.
• APIs robustas: QRL fornece uma ampla variedade de APIs, incluindo QRL API, Explorer API, Wallet API e ferramentas de linha de comando, tornando-o muito personalizável para desenvolvedores e integradores.

A QRL pretende implementar contratos inteligentes e um método de consenso de prova de participação, ambos atualmente em desenvolvimento. A criação de um centro de desenvolvedores deverá aumentar drasticamente a produção de desenvolvimento do projeto. Esta pesquisa demonstra como a tecnologia blockchain pode se expandir para incluir características de resistência quântica, garantindo segurança e longevidade diante do aumento das capacidades dos computadores quânticos. O projeto QRL está se apresentando como uma solução blockchain rica em recursos e preparada para o futuro, destacando a importância de prever e reagir aos crescentes desafios técnicos e possibilidades no setor blockchain.

Iniciativas e Colaborações Globais

Grupo de Trabalho de Segurança Quântica (QSWG): Este grupo de trabalho foi formado pelas principais empresas de tecnologia e institutos de pesquisa para produzir padrões e melhores práticas para criptografia segura quântica. O QSWG trabalha globalmente para resolver as dificuldades associadas à mudança para técnicas de criptografia resistentes a quantum.

European Quantum Flagship: A European Quantum Flagship é uma coalizão de grupos acadêmicos, industriais e governamentais dedicados ao avanço da tecnologia quântica, particularmente soluções de criptografia quânticas seguras. Eles estão investigando formas de integrar diversas tecnologias, particularmente sistemas blockchain, nas infraestruturas atuais.

Adaptações e inovações corporativas

Blockchain Quantum-Safe da IBM: A IBM está criando soluções criptográficas quânticas seguras para suas plataformas blockchain como pioneira na pesquisa de computação quântica. Sua pesquisa está centrada no desenvolvimento de algoritmos que possam resistir a ataques quânticos, mantendo-se eficientes e compatíveis com os sistemas existentes.

Pesquisa de computação quântica do Google: O Google está explorando ativamente a computação quântica e suas implicações para a criptografia. Para se protegerem contra futuras ameaças quânticas, estão a investigar novos protocolos criptográficos que possam ser integrados na tecnologia blockchain.

Avanços e avanços tecnológicos

Desenvolvimento de algoritmos resistentes a quânticos: Pesquisadores de diversas instituições estão trabalhando em algoritmos sofisticados resistentes a quânticos, como a criptografia baseada em rede, que são considerados eficazes contra ataques de computadores quânticos. Esses algoritmos estão sendo avaliados para possível inclusão em redes blockchain.

Estudos de caso específicos do setor

Adaptação do Blockchain de saúde: As organizações de saúde que usam blockchain para gerenciamento seguro de dados de pacientes estão começando a testar soluções PQC. Estas organizações estão particularmente preocupadas em proteger dados sensíveis de saúde contra futuras ameaças da computação quântica.

Serviços Governamentais e Segurança Blockchain: Várias agências governamentais em todo o mundo estão testando projetos blockchain para serviços públicos, com o objetivo de incorporar o PQC para garantir a segurança e integridade dos dados a longo prazo.

Conclusão

À medida que nos aproximamos do início de uma nova era tecnológica anunciada pela chegada da computação quântica, a incorporação da criptografia pós-quântica (PQC) na tecnologia blockchain surge como um empreendimento fundamental. Este ensaio abordou os fundamentos criptográficos do blockchain, a ameaça iminente da computação quântica e o papel crítico do PQC no reforço do blockchain contra esses problemas futuros.

A exploração de muitos métodos criptográficos agora usados em blockchain, desde criptografia de chave simétrica e assimétrica até funções hash, estabeleceu a estrutura para a compreensão do perigo quântico. O potencial da computação quântica para perturbar os protocolos de criptografia padrão enfatiza a importância da mudança para algoritmos resistentes ao quantum. A investigação do PQC é um raio de esperança, fornecendo um caminho para proteger a tecnologia blockchain em um mundo pós-quântico.

Aplicações e estudos de caso do mundo real, abrangendo desde iniciativas globais até avanços empresariais, demonstram um esforço coordenado para adotar o PQC em todos os setores. Estes exemplos não só mostram a aplicação prática dos princípios académicos, mas também enfatizam as dificuldades e curvas de aprendizagem envolvidas nesta transformação. A transição para blockchain resistente a quantum está ganhando força em setores que vão desde saúde até serviços governamentais.