Algoritme TU/e gekozen als nieuwe standaard voor bescherming tegen kwantumdreiging

Het afgelopen decennium is er veel vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van kwantumcomputers. Nederland is hierin een van de leidende spelers, met verschillende centra die zich bezighouden met onderzoek naar deze technologie. Daartoe behoren het Center for Quantum Materials and Technology Eindhoven (deel van het Eindhoven Hendrik Casimir Institute), en recentelijk de oprichting van Quantum Delta NL, en een subsidie van 615 miljoen euro uit het Nationaal Groeifonds om de ontwikkeling van quantumtechnologie een extra boost te geven.

Maar dit succes kent één schaduwzijde: een van de gebieden waarop kwantumcomputers beter presteren dan hun klassieke tegenhangers is het breken van de onderliggende cryptografische systemen waarop onze cyberveiligheid berust. Op dit moment zijn de kwantumcomputers nog lang niet stabiel en sterk genoeg om dit soort aanvallen mogelijk te maken, maar de ontwikkelingen gaan zo snel dat beveiligingsonderzoekers wereldwijd druk bezig zijn om dit probleem op te lossen.

Collect now, decrypt later

De kwetsbare systemen vallen in de categorie van de zogenaamde public-key cryptografie, en vind je in elke verbinding die je browser maakt wanneer je een https-site bezoekt, maar ook in WhatsApp en andere chatsystemen.

De systemen vallen uiteen in twee categorieën. Ten eerste zijn er de Key Encapsulation Methods (KEM's), die worden gebruikt om een vertrouwelijke conversatie op gang te brengen tussen partijen die elkaar niet hebben ontmoet. Ten tweede zijn er de handtekeningsystemen om de authenticiteit en integriteit van de conversatie te waarborgen. Dit zorgt ervoor dat je ook echt verbonden bent met de partij die ze beweert te zijn.

Beide systemen moeten worden vervangen lang voordat kwantumcomputers groot en stabiel genoeg zijn voor het uitvoeren van kwaadaardige hacks. Dit komt omdat veel hackers werken volgens het principe Collect now, decrypt later: zij verzamelen en bewaren het verkeer van vandaag dat is versleuteld met pre-quantum cryptografie, en bewaren dat om het later te decoderen wanneer zij een kwantumcomputer in handen hebben..

Gegevens die op lange termijn waarde hebben, zoals handelsgeheimen en geheime bedrijfsplannen, zullen dan kwetsbaar zijn voor industriële spionage, en privacygevoelige persoonsgegevens zullen niet langer privé zijn.

NIST-wedstrijd

Om de aandacht te richten op het vinden van veilige crypto-systemen, die zelfs met een grote kwantumcomputer aanvallen kunnen weerstaan, heeft het Amerikaanse National Institute for Standards and Technology (NIST) in 2016 een open wedstrijd in post-kwantumcryptografie uitgeschreven. Daarbij konden onderzoekers van over de hele wereld systemen indienen die inmerking komen om de toekomstige standaard te worden.

Na een langdurig proces, dat drie evaluatierondes en verdere tweaks omvatte, heeft NIST de winnaars bekendgemaakt. Deze vier cryptosystemen zullen worden gestandaardiseerd om op grote schaal te worden toegepast. Een van de winnaars is het door de TU/e ontworpen SPHINCS+ systeem, een handtekeningensysteem dat prioriteit geeft aan veiligheid op de lange termijn.

Andreas Hülsing, leider van het SPHINCS+-team en docent bij de vakgroep Coding theory and Cryptography van de faculteit Mathematics and Computer Science: "In veel toepassingen vallen de kosten van cryptografie in het niet vergeleken tot de totale kosten, terwijl de beveiligingseisen hoog zijn. Denk maar aan documenthandtekeningen of software-updates. We zijn blij dat NIST met SPHINCS+ ook voor dergelijke use cases een oplossing met sterke beveiliging heeft gekozen."

Grote rol TU/e

Naast de directe betrokkenheid van de TU/e-onderzoekers Hülsing en Tanja Lange heeft het TU/e-onderzoek naar post-kwantum cryptografie een grote invloed gehad op de NIST-competitie. Samen met oud-promovendus Peter Schwabe hebben drie van de vier winnaars een band met de TU/e.

NIST schuift ook twee andere systemen met een TU/e-betrokkenheid door naar een vierde ronde voor verdere overweging: KEM Classic McEliece, met Tanja Lange en oud-promovendi Tung Chou, Ruben Niederhagen, Christiane Peters en Peter Schwabe in het team, en KEM SIKE, waarbij oud-promovendus Michael Naehrig betrokken is.

Lange is enigzins bezorgd over over het besluit van NIST om de standaardisering van Classic McEliece uit te stellen "NIST erkent de solide staat van dienst van Classic McEliece op het gebied van beveiliging, maar speculeert dat de adoptie wellicht laag is. Dit is het stellen van de verkeerde prioriteiten, beveiliging zou juist prioriteit nummer één moeten zijn." Lange beveelt het systeem dan ook aan voor gebruikers die te maken hebben met gegevens van langetermijn-waarde.

volgende stap

De nieuwe standaarden zullen nu verder worden uitgewerkt. Ook zijn er nog verschillende revisie-rondes. Maar volgens Lange kan de industrie nu al beginnen te onderzoeken hoe ze kunnen upgraden naar post-kwantum cryptografie en welke van de geselecteerde systemen passen bij hun situatie.

"Ik zou alle betrokken partijen aanraden om bestaande pre-kwantumsystemen naast de nieuwe post-kwantumsystemen te houden, zodat de beveiliging even sterk is als de sterkste van de systemen. Ze moeten ook in gedachten houden dat collect-now decrypt-later betekent dat de migratie naar post-kwantum cryptografie moet gebeuren lang voordat grote kwantumcomputers een realiteit worden."