Post-Quantum Cryptography e gli algoritmi standard del NIST

Le famiglie di algoritmi di Crittografia Post-Quantistica

La maggior parte dei sistemi crittografici moderni, in particolare quelli a chiave pubblica (o asimmetrici), si basano sulla difficoltà computazionale di alcuni problemi matematici. Questi problemi risultano proibitivi per i computer classici, ma possono essere risolti in tempi drasticamente ridotti dai computer quantistici grazie ad algoritmi come l’algoritmo di Shor.

Per contrastare questa minaccia, la crittografia post-quantistica (PQC) sviluppa nuovi algoritmi basati su problemi matematici che si ritiene siano complessi sia per i computer classici, sia per quelli quantistici. L’obiettivo è garantire la sicurezza dei dati a lungo termine, anche in un futuro in cui i computer quantistici saranno ampiamente diffusi.

La PQC comprende diverse famiglie di algoritmi, ciascuna con caratteristiche e principi distintivi. Di seguito si ripropone la categorizzazione del NIST.

• Crittografia reticolare (Lattice-based cryptography): si basa su strutture matematiche chiamate reticoli, utilizzate per costruire algoritmi di crittografia e firma digitale. Questi algoritmi sono considerati particolarmente promettenti per la loro solidità teorica e versatilità. Tra gli esempi più noti figurano CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, NTRU, Saber e Ring-LWE.
• Crittografia basata su codici (Code-based cryptography): si basa sulla teoria dei codici correttori di errore, utilizzati per individuare e correggere errori nella trasmissione di dati. Gli algoritmi basati su codici sono considerati resistenti agli attacchi quantistici, ma spesso hanno chiavi di grandi dimensioni. Alcuni esempi sono: McEliece, HQC e BIKE.
• Crittografia multivariata (Multivariate cryptography): si basa su sistemi di equazioni polinomiali multivariate. Questi algoritmi offrono prestazioni elevate in termini di velocità ed efficienza, sebbene alcuni siano vulnerabili a specifici attacchi crittografici. Un esempio significativo è Rainbow.
• Crittografia basata su hash (Hash-based cryptography): utilizza funzioni hash crittografiche, che trasformano dati di lunghezza arbitraria in output di dimensione fissa. Questi algoritmi vengono impiegati principalmente per la generazione di firme digitali e non richiedono chiavi di grandi dimensioni. Tra questi algoritmi spicca SPHINCS+, selezionato dal NIST come alternativa di back up per le firme digitali.
• Crittografia basata su isogenie (Isogeny-based cryptography): sfrutta le isogenie tra curve ellittiche, ovvero trasformazioni che preservano la struttura algebrica delle curve. Gli algoritmi basati su isogenie, come SIDH o SIKE, offrono chiavi di piccole dimensioni e rappresentano una soluzione promettente per la crittografia post-quantistica.

Il NIST e la standardizzazione degli algoritmi PQC

Il National Institute of Standards and Technology (NIST) sta conducendo un processo di standardizzazione per selezionare gli algoritmi di crittografia post-quantistica destinati a garantire la sicurezza dei dati nell’era dei computer quantistici. Il processo, avviato nel 2016, si articola in più fasi e prevede la valutazione di numerose proposte da parte di esperti di tutto il mondo. I criteri di selezione includono sicurezza, efficienza, flessibilità e facilità di implementazione.

Nel luglio 2022, il NIST ha annunciato la selezione di quattro algoritmi per la standardizzazione e nel 2024, ha pubblicato i primi tre standard ufficiali per la crittografia post-quantistica.

• FIPS 203: ML-KEM (Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism). Si tratta del principale standard per la crittografia generale, utilizzato per proteggere le informazioni scambiate attraverso una rete pubblica. ML-KEM è un meccanismo di incapsulamento della chiave che presenta chiavi di crittografia relativamente piccole e una buona velocità di funzionamento. Questo lo rende particolarmente adatto per scenari in cui l’efficienza è fondamentale.
• FIPS 204: ML-DSA (Module-Lattice-Based Digital Signature Algorithm). Si tratta dello standard principale per la protezione delle firme digitali, che vengono utilizzate per l’autenticazione dell’identità. ML-DSA è un algoritmo di firma digitale basato su reticoli che offre una combinazione di dimensioni relativamente piccole per chiavi pubbliche e firme.
• FIPS 205: SLH-DSA (Stateless Hash-Based Digital Signature Algorithm). Alternativa a ML-DSA, questo algoritmo di firma digitale utilizza funzioni hash per garantire la sicurezza. SLH-DSA è un algoritmo “stateless” (senza stato), il che semplifica la gestione delle firme digitali rispetto agli approcci che richiedono il mantenimento di uno stato interno.

Oltre ai tre standard già finalizzati, il NIST sta continuando a valutare altri due set di algoritmi che potrebbero servire come alternative o soluzioni di backup. Uno di questi include algoritmi progettati per la crittografia generale, basati su diversi problemi matematici. Per quanto riguarda le firme digitali, il NIST sta valutando anche FALCON, che sarà formalizzato nello standard FIPS 206.
Il NIST incoraggia comunque gli amministratori di sistema a iniziare l’integrazione di questi standard nei loro sistemi il prima possibile, riconoscendo che la piena integrazione richiederà del tempo.

Che cosa significa l’avvento della PQC per le aziende?

Per le aziende, l’introduzione della Post-Quantum Cryptography inciderà profondamente sulla sicurezza delle informazioni e richiederà un processo di transizione articolato, che includa un’analisi approfondita dei sistemi, una pianificazione strategica, una riprogettazione dell’infrastruttura e l’adozione di nuovi algoritmi crittografici.
Un aspetto critico sarà l’interoperabilità tra diversi sistemi e piattaforme, che rende essenziale l’adozione di standard comuni per evitare problemi di compatibilità. Anche la gestione della supply chain sarà critica: le aziende dovranno collaborare con i propri fornitori affinché anche loro adottino la PQC.

Per ridurre i rischi e facilitare la transizione, molte organizzazioni stanno adottando un approccio ibrido, combinando algoritmi classici e post-quantum per garantire compatibilità con i sistemi esistenti.
I settori critici come la finanza, la sanità, la pubblica amministrazione e la difesa, sono particolarmente esposti e devono dare priorità alla transizione per evitare vulnerabilità che potrebbero compromettere dati sensibili. Il settore IoT (Internet of Things) è un altro ambito in cui la PQC rappresenta una sfida importante, poiché molti dispositivi con risorse limitate richiedono soluzioni crittografiche leggere e ottimizzate. Allo stesso tempo, la gestione di un elevato numero di dispositivi richiede una strategia di aggiornamento ben strutturata. Un altro settore che sarà fortemente impattato è quello della blockchain e delle criptovalute, che basano la loro sicurezza su algoritmi crittografici tradizionali e dovranno migrare verso soluzioni post-quantum per rimanere resistenti agli attacchi quantistici.

La crittografica post-quantistica non è una sfida futura, ma una realtà che le aziende devono affrontare oggi. La mancata preparazione potrebbe avere conseguenze disastrose ed esporre dati e infrastrutture a minacce sempre più avanzate.