Coinbase Menjelajahi Enkripsi Pasca-Kuantum untuk Blockchain

Komputer kuantum diperkirakan akan dibangun dengan ukuran yang berguna secara komersial dalam beberapa tahun saja, mungkin mulai 2028 hingga pertengahan 2030-an, tergantung pada perkiraan dan kapasitas tepat yang ditargetkan.

Hal ini akan sangat berguna untuk memecahkan masalah matematika yang sangat kompleks, seperti pertanyaan tentang ilmu material pada semikonduktor, dirgantara, baterai, atau memecahkan konfigurasi 3D protein, atau menemukan farmasi penyelamat baru.

Namun kapasitas yang sama dapat digunakan untuk memecahkan metode enkripsi yang menjadi dasar dunia modern. Inilah mengapa, misalnya, semua bank besar di AS dipaksa mempercepat adopsi kriptografi berbasis kisi, sebuah metode yang diyakini tahan terhadap kuantum.

Dengan cara yang sama, cryptocurrency dapat berada dalam bahaya jika enkripsi yang membuatnya begitu aman tiba-tiba dapat dipecahkan.

Ini menjadi sangat problematis karena komputer kuantum di masa depan dapat memecahkan enkripsi data yang saat ini dikumpulkan, meskipun masih tidak dapat dipecahkan, tetapi dapat didekripsi kemudian, sebuah metode yang disebut “Panen Sekarang, Dekripsi Nanti” (HNDL).

Dalam konteks tersebut, para pelaku utama di bidang blockchain dan cryptocurrency juga bergerak cepat untuk mempersiapkan kemungkinan munculnya komputer kuantum.

Salah satunya adalah Coinbase, yang menerbitkan laporannya “Quantum Computing & Blockchain ” yang membahas kekhawatiran ini dan meneliti solusi yang dapat dan harus diadopsi oleh komunitas blockchain tepat waktu untuk menghindari masalah keamanan yang nyata.

“Kami sangat yakin bahwa komputer kuantum berskala besar yang toleran terhadap kesalahan (FTQC) pada akhirnya akan dibangun. Oleh karena itu, blockchain dan ekosistem kriptografi yang lebih luas harus mempersiapkan diri untuk kemungkinan ini.”

Gambaran Laporan Kuantum Coinbase

Dalam gambaran laporan ini, Coinbase memulai dengan mengingatkan bahwa National Institute of Standards and Technology (NIST) merekomendasikan migrasi pasca-kuantum (PQ) harus dilaksanakan pada tahun 2035. Ia juga menunjukkan bahwa jadwal persiapan ini, yang hanya menyisakan 9 tahun, mungkin bahkan optimis.

“Kami tidak yakin bahwa komputer kuantum yang relevan secara kriptografi (CRQC) tidak akan ada pada tahun 2035 atau setelahnya, karena penelitian terbaru meningkatkan kemungkinan bahwa jadwalnya mungkin lebih singkat.”

Laporan tersebut dibagi menjadi 6 segmen utama plus lampiran “bacaan tambahan”, mencakup topik secara luas:

1. Gambaran Komputasi Kuantum dan Status Terkini.
2. Kriptografi Pasca-Kuantum (PQC).
3. Kriptografi Pasca-Kuantum dan Lapisan Konsensus.
4. Kriptografi Pasca-Kuantum dan Lapisan Eksekusi.
5. Rencana Pasca-Kuantum untuk Blockchain Besar.
6. Keamanan Pasca-Kuantum di Luar Penandatanganan.

Gambaran Komputasi Kuantum

Bagian pertama ini merangkum apa itu komputer kuantum, apa yang dapat dilakukannya, dan bagaimana teknologi ini telah berkembang sejauh ini.
Singkatnya, komputer kuantum menggunakan superposisi dan efek kuantum lainnya untuk meningkatkan daya komputasinya secara eksponensial untuk setiap “qubit” tambahan (setara kuantum dari bit komputer biasa), bukan secara linear.

“Daya komputer kuantum secara langsung terkait dengan fakta bahwa, untuk mendeskripsikan superposisi dengan N qubit, diperlukan daftar 2^N parameter. Ketika (misalnya) N=1000, ini sudah lebih banyak parameter daripada yang dapat dituliskan di alam semesta yang dapat diamati.”

Seperti disebutkan, komputer semacam itu akan ideal untuk simulasi dunia fisik dan memecahkan enkripsi. Ia juga dapat digunakan untuk melatih AI secara lebih efisien, topik yang kami bahas sebelumnya dalam artikel kami “Apakah Komputasi Kuantum Memiliki Kasus Penggunaan Dunia Nyata Pertama”.

Batas utama dalam membangun komputer kuantum adalah perangkat kerasnya, yang sangat sulit diproduksi dan dipertahankan dalam keadaan kuantum cukup lama sehingga qubit dapat dipercaya dan melakukan perhitungan yang berguna.

Ini dapat ditingkatkan dari dua sisi: mengurangi tingkat kesalahan fisik untuk gerbang dua-qubit dan merancang skema toleransi kesalahan yang mampu menangani tingkat kesalahan yang lebih tinggi.

“Untuk melakukan komputasi kuantum toleran kesalahan (FTQC), seseorang juga harus terus-menerus mengukur qubit fisik, untuk mengetahui di mana kesalahan terjadi dan apa yang perlu dilakukan untuk memperbaikinya.”

Peningkatan terbaru dalam koreksi kesalahan menunjukkan bahwa gerbang dua-qubit dengan akurasi 99,9%

mungkin sudah cukup, angka yang jauh lebih rendah dan realistis dapat dicapai dibandingkan yang diperkirakan awalnya (99,9999%). Lebih penting lagi, hal ini sudah dicapai oleh Quantinuum (bagian dari Honeywell (HON ), ikuti tautan untuk laporan investasi terkait) dan Google untuk qubit individual.

Jika akurasi ini dapat dipertahankan saat skala meningkat menjadi puluhan atau ratusan ribu qubit fisik, secara teoritis itu akan cukup untuk FTQC.

Laporan tersebut juga memberikan gambaran tentang jenis perangkat keras utama yang sedang dieksplorasi oleh perusahaan dan peneliti komputasi kuantum:

• Superkonduktor.
• Ion terperangkap.
• Atom netral.
• Fotonik.
• Topologis.

Kesimpulannya, artikel mencatat bahwa meskipun belum siap secara langsung, tidak ada alasan untuk menganggap bahwa komputer kuantum tidak akan dapat memecahkan tingkat enkripsi tertinggi saat ini, dan blockchain/cryptocurrency tidak akan ada.

Kriptografi Pasca-Kuantum (PQC)

Kriptografi pasca-kuantum sangat penting jika kita ingin sistem keuangan secara keseluruhan, serta sistem militer, tetap aman dari komputer kuantum.
Jenis enkripsi ini juga harus dapat dijalankan pada komputer dengan desain dan kapasitas normal.

“Kriptografi pasca-kuantum dijalankan pada komputer klasik dan aman terhadap penyerang kuantum. Hal ini berbeda dengan hal seperti QKD (distribusi kunci kuantum), yang mengharuskan pengguna (yang jujur) menggunakan sistem kuantum.”

Dua metode terkemuka adalah berbasis kisi dan berbasis hash:

• Berbasis kisi: Metode kriptografi tradisional seperti RSA dan ECC dibangun di atas struktur periodik dalam grup yang dapat diselesaikan secara efisien oleh algoritma Shor dengan menemukan “periode” mereka. Sebaliknya, kriptografi berbasis kisi tidak bergantung pada struktur semacam itu.
• Berbasis hash: Metode enkripsi yang sangat aman, namun juga sangat membutuhkan daya komputasi.

“Varian penandatanganan yang lebih cepat dari kriptografi berbasis hash SLH-DSA menghasilkan tanda tangan yang sekitar 250 kali lebih besar daripada ECDSA dengan waktu penandatanganan sekitar 1.000 kali lebih lambat. Menerapkan skema ini pada blockchain jelas akan sangat menantang.”

Sumber: Coinbase

NIST memainkan peran utama dalam menetapkan arah di sini. Pada tahun 2024, National Institute of Standards and Technology (NIST) menyelesaikan tiga standar kriptografi pasca-kuantum (PQC) yang berbeda :

• FIPS 203 – ML-KEM – Mekanisme enkapsulasi kunci (KEM) berbasis kriptografi kisi, dimaksudkan sebagai blok bangunan utama untuk penetapan kunci yang aman terhadap kuantum (misalnya, dalam TLS atau VPN).
• FIPS 204 – ML-DSA – Skema tanda tangan digital utama, juga berbasis kisi, ditujukan untuk kasus penggunaan seperti penandatanganan perangkat lunak, sertifikat, dan otentikasi.
• FIPS 205 – SLH-DSA – Skema tanda tangan berbasis hash tanpa status, sengaja dibangun dengan asumsi berbeda sebagai “cadangan” bila penelitian di masa depan mengungkap kelemahan pada sistem berbasis kisi.

Sumber: NIST

Kriptografi Pasca-Kuantum dan Lapisan Konsensus

Segmen laporan ini membahas bagaimana blockchain secara khusus dapat dipengaruhi oleh enkripsi tahan kuantum, dengan fokus pada lapisan konsensus.

“Secara umum, kekhawatiran utama dalam migrasi ke keamanan PQ adalah ukuran data dan biaya komputasi. Tantangan tambahan adalah mengatur pergantian aktif kunci kriptografi oleh pengguna.”

Kerentanan utama berasal dari algoritma Shor, yang dapat digunakan oleh komputer PQ yang kuat untuk memecahkan kriptografi kunci publik klasik.

Blockchain yang beralih dari Proof-of-Work yang memakan banyak energi dan sebaliknya mengandalkan solusi untuk masalah Byzantine Fault Tolerance (BFT) dapat menjadi lebih rentan. Di sini algoritma Shor menjadi ancaman utama, karena matematika di balik metode ini dapat diselesaikan oleh komputer kuantum.

Situasinya bahkan lebih buruk bagi blockchain yang mengandalkan tanda tangan agregat dan ambang untuk konsensus.

Dalam sistem ini, yang secara khusus digunakan oleh Ethereum, suara dapat diaggregasi atau diatur ambang untuk mengurangi biaya yang terkait dengan pengiriman tanda tangan validator, verifikasi, dan penyimpanan mereka. Blockchain ini tidak memiliki pengganti plug-and-play yang mudah untuk membuatnya aman pasca-kuantum.
Namun, laporan menjelaskan bahwa Konsensus Nakamoto (NC) berbasis Proof-of-Work Bitcoin secara teoretis hanya terancam oleh metode dekripsi lain, yaitu serangan Grover pada fungsi hash.

“Dalam praktiknya, percepatan kuadratik Grover tidak menghasilkan percepatan nyata untuk ukuran puzzle karena waktu operasi per qubit pada komputer kuantum jauh lebih lambat dibandingkan ASIC yang sangat dioptimalkan yang digunakan untuk penambangan saat ini. Oleh karena itu, mekanisme konsensus Nakamoto pada dasarnya aman pasca-kuantum.”

Kriptografi Pasca-Kuantum dan Lapisan Eksekusi

Segmen laporan ini membahas bagaimana blockchain secara khusus dapat dipengaruhi oleh enkripsi tahan kuantum, dengan fokus pada lapisan eksekusi.

Tanda tangan kriptografis yang terlampir pada transaksi mengautentikasi pengirim dan mengotorisasi perubahan status. Semua skema tanda tangan kompak, seperti ECDSA dan Schnorr, harus diganti dengan alternatif PQ.

Salah satu risikonya adalah sistem enkripsi pasca-kuantum baru jauh kurang teruji dibandingkan yang tradisional.

“Mengenai skema berbasis kisi seperti ML-DSA atau FN-DSA, kami mungkin sebenarnya menurunkan keamanan, karena kami akan beralih ke skema tanda tangan yang memiliki jejak penggunaan jauh lebih sedikit dan belum dipelajari sedalam skema seperti ECDSA dan EdDSA.”

• P1: Transisi tidak mengorbankan postur keamanan kami saat ini.
• P2: Skema baru memberikan keamanan pasca-kuantum, baik apa adanya atau dengan memungkinkan peralihan cepat ke keamanan pasca-kuantum.
• P3: Skema baru tidak menambah biaya signifikan pada cara kerja saat ini, setidaknya selama tidak ada ancaman kuantum yang mendesak.
• P4: Skema baru memerlukan perubahan minimal (jika ada) pada blockchain dan cara kerja saat ini, selama tidak ada ancaman kuantum yang mendesak.

Laporan kemudian mengeksplorasi berbagai strategi yang mungkin dan membandingkannya.

Strategi 1 menghasilkan kunci pribadi sebagai output hash. Metode ini memungkinkan, ketika ancaman kuantum semakin dekat, untuk menandatangani menggunakan ECDSA atau EdDSA, karena tanda tangan dapat dibangun berdasarkan pengetahuan pemilik tentang preimage kunci pribadi.

Strategi 2 beralih ke penandatanganan hibrida/ganda 2-dari-2. Strategi ini bekerja dengan menambahkan skema tanda tangan pasca-kuantum dan mengharuskan setiap transaksi menyertakan tanda tangan ECDSA/EdDSA serta tanda tangan pasca-kuantum (misalnya, ML-DSA).

Strategi 3 beralih ke penandatanganan 1-dari-2 (atau lebih). Mirip dengan strategi 2, tetapi alih-alih memerlukan kedua tanda tangan, cukup menyediakan satu tanda tangan baik menggunakan skema kurva eliptik atau skema pasca-kuantum.

Sumber: Coinbase