PQC (Post-Quantum Cryptography) – ML-KEM i ML-DSA

PQC (Post-Quantum Cryptography) to dziedzina kryptografii zajmująca się projektowaniem algorytmów odpornych na ataki wykonywane przy użyciu komputerów kwantowych.

Obecne algorytmy asymetryczne, takie jak:

RSA
ECC
X25519
Ed25519
ECDSA

opierają bezpieczeństwo na problemach matematycznych, które w przyszłości mogą zostać zaatakowane przez odpowiednio duże komputery kwantowe.

Głównym zagrożeniem są:

Algorytm Shora
        |
        v
Łamanie:
- RSA
- ECC
- Diffie-Hellman
- ECDH

Dlatego powstają algorytmy post-quantum.

Najważniejsze algorytmy PQC

W standardach opracowywanych przez NIST najważniejsze obecnie rodziny to:

PQC

 |
 +--> ML-KEM
 |       |
 |       +--> Key Encapsulation
 |
 |
 +--> ML-DSA
         |
         +--> Digital Signatures

Czyli:

ML-KEM
→ "Jak bezpiecznie uzgodnić sekret?"

ML-DSA
→ "Jak podpisać wiadomość?"

Dlaczego PQC jest potrzebne?

Wyobraźmy sobie atak:

2026

Encrypted Traffic
        |
        |
        v
Attacker stores data

        ...

2035

Quantum Computer

        |
        v

Decrypt old traffic

To nazywa się:

Harvest Now, Decrypt Later

czyli:

Zbieraj zaszyfrowane dane dzisiaj, odszyfruj je w przyszłości.

ML-KEM – Module-Lattice-Based Key Encapsulation Mechanism

ML-KEM jest algorytmem do uzgadniania klucza.

Dawniej znaliśmy:

RSA Key Exchange

ECDH

X25519

Przyszłość:

ML-KEM

Do czego służy ML-KEM?

ML-KEM rozwiązuje problem:

Jak dwie strony mogą uzyskać wspólny sekret przez niezabezpieczony kanał?

Schemat:

Alice                         Bob

Generate Key Pair

                              Public Key
                              |
                              |
        Encapsulation -------->

        Ciphertext
        <----------------------

Decapsulation

        |
        v

Shared Secret

Efekt:

Alice Shared Secret

        =

Bob Shared Secret

ML-KEM vs X25519

Porównanie:

ML-KEM i HPKE

To bardzo naturalne połączenie.

Obecnie:

HPKE

        X25519
           |
           v
       Shared Secret
           |
           v
       AES-GCM

Przyszłość:

HPKE

        ML-KEM
           |
           v
       Shared Secret
           |
           v
       AES-GCM

Albo hybrydowo:

             HPKE

        +-----------+
        |           |
     X25519      ML-KEM
        |           |
        +-----+-----+
              |
              v
        Combined Secret
              |
              v
       ChaCha20 / AES-GCM

ML-DSA – Module-Lattice-Based Digital Signature Algorithm

ML-DSA odpowiada za podpis cyfrowy.

Zastępuje:

RSA Signatures

ECDSA

Ed25519

Schemat:

Message

   |
   v

ML-DSA Private Key

   |
   v

Signature

Weryfikacja:

Message
+
Signature
+
Public Key

        |
        v

VALID / INVALID

ML-DSA vs Ed25519

Porównanie:

Gdzie używa się ML-DSA?

Przykładowo:

Software Signing

Firmware Updates

Operating Systems

Package Managers

Certificates

Code Signing

Identity Systems

Przykład podpisywania aktualizacji

Klasycznie:

Developer

Private Key
    |
    v

Sign Firmware

    |
    v

Device Verify

Po PQC:

Developer

ML-DSA Private Key
       |
       v

Firmware Signature

       |
       v

Device

ML-DSA Verify

ML-KEM + ML-DSA razem

Nowoczesny system będzie potrzebował obu.

Przykład:

                Secure System

                     |
        +------------+------------+
        |                         |
    Identity                 Encryption
        |                         |
     ML-DSA                    ML-KEM
        |                         |
   Signature              Key Exchange

Czyli:

ML-DSA:

Czy wiadomość pochodzi od właściwej osoby?

ML-KEM:

Jak bezpiecznie ustalić klucz szyfrujący?

PQC i TLS

Obecny TLS:

Client
 |
 |
X25519
 |
 |
Server

Shared Secret

AES-GCM

Przyszły TLS:

Client
 |
 |
ML-KEM + X25519
 |
 |
Server

Hybrid Secret

AES-GCM / ChaCha20

Hybrydowa kryptografia – okres przejściowy

Najbardziej prawdopodobny scenariusz:

Nie będzie natychmiastowego przejścia:

X25519
     |
     |
     X

Raczej:

         Hybrid

      X25519
          +
      ML-KEM

          |
          v

    Combined Security

Dlaczego?

Bo:

• X25519 jest bardzo dobrze przetestowany,
• ML-KEM jest nowy,
• chcemy zachować kompatybilność.

PQC a AES-GCM / ChaCha20-Poly1305

Ważna rzecz:

PQC nie zastępuje szyfrów symetrycznych.

Nie robimy:

ML-KEM
   |
   v
Encrypt 10GB Database

Nie.

Robimy:

ML-KEM

   |
   v

Shared Secret

   |
   v

AES-GCM / ChaCha20

   |
   v

Encrypt Data

PQC i Zero Trust

W architekturach Zero Trust:

Identity
    |
 ML-DSA
    |
Authentication


Communication
    |
 ML-KEM
    |
Secure Channel

PQC w chmurze

Przykład:

Application

     |
     |
 ML-KEM

     |
     v

Cloud Service

     |
     v

Encrypted Storage

PQC w IoT

IoT jest szczególnie ważne.

Urządzenia mogą działać 10–20 lat:

Smart Meter
Industrial Sensor
Medical Device
Router
Firmware

Jeżeli dzisiaj używają tylko ECC:

Ed25519
X25519

      |
      v

Future Quantum Risk

dlatego projektuje się migrację.

PQC a rozmiar kluczy

Jedna z różnic:

ECC:

Ed25519:

Public Key:
32 bytes

Signature:
64 bytes

PQC:

ML-DSA:

Public Key:
kilobajty

Signature:
kilobajty

To jest cena za odporność kwantową.

PQC – największe wyzwania

1. Większe dane

Bigger Keys
Bigger Signatures
More Bandwidth

2. Migracja infrastruktury

Trzeba zmienić:

TLS

VPN

Certificates

PKI

Firmware

Code Signing

Hardware

3. Długi czas życia systemów

Największy problem:

Device deployed in 2026

Still running in 2045

Cała układanka kryptografii nowej generacji

Połączmy wszystkie wcześniejsze elementy:

                 MODERN CRYPTOGRAPHY


        +-----------------------------+
        |                             |
   Authentication              Key Exchange
        |                             |
     Ed25519                     X25519
        |                             |
        |                       ML-KEM
        |                             |
        +-------------+---------------+
                      |
                Hybrid Secret
                      |
                      v
                    KDF
                      |
          +-----------+-----------+
          |                       |
       AES-GCM        ChaCha20-Poly1305
          |                       |
          +-----------+-----------+
                      |
              Encrypted Data

Przyszła wersja:

             POST-QUANTUM WORLD


          ML-DSA
             |
        Digital Identity


          ML-KEM
             |
        Secure Exchange


             |
             v

       AES-256-GCM

             |
             v

      Protected Data

Najważniejsze do zapamiętania

X25519
→ klasyczna wymiana klucza

Ed25519
→ klasyczny podpis cyfrowy

ML-KEM
→ post-quantum wymiana klucza

ML-DSA
→ post-quantum podpis cyfrowy

AES-GCM
→ szyfrowanie danych

ChaCha20-Poly1305
→ szyfrowanie danych

PQC nie zastępuje całej kryptografii. Zastępuje przede wszystkim zagrożone algorytmy asymetryczne (RSA/ECC). W praktyce przyszłość będzie prawdopodobnie hybrydowa: X25519 + ML-KEM dla wymiany kluczy, ML-DSA dla podpisów, a AES-GCM lub ChaCha20-Poly1305 nadal będą chronić właściwe dane.

Polecane wpisy

Jak działa podpis cyfrowy i jakie algorytmy są wykorzystywane?

Jak działa podpis cyfrowy i jakie algorytmy są wykorzystywane? W dobie cyfryzacji, gdzie przesyłanie informacji odbywa się niemal wyłącznie za Czytaj dalej

Kryptowaluty i blockchain: rola algorytmów kryptograficznych w ich bezpieczeństwie (poza podstawami)

💰 Kryptowaluty i blockchain: rola algorytmów kryptograficznych w ich bezpieczeństwie (poza podstawami) Blockchain i kryptowaluty kojarzą się dziś z nowoczesnymi Czytaj dalej