Kompetisi PQC NIST: Proses dan Kriteria

NIST meluncurkan proyek standardisasi Kriptografi Pascakuantum (PQC) pada 2016 sebagai tanggapan langsung terhadap ancaman yang ditimbulkan komputer kuantum. Algoritma Shor dapat mematahkan RSA dan kriptografi kurva eliptik dalam waktu polinomial pada komputer kuantum yang cukup besar. NIST menyadari bahwa transisi infrastruktur kriptografi memerlukan waktu puluhan tahun, sehingga memulai proses tersebut jauh sebelum komputer kuantum menjadi ancaman langsung.

NIST menerbitkan seruan untuk pengajuan pada Desember 2016 dan menerima 82 pengajuan lengkap pada November 2017. Setelah peninjauan awal, 69 pengajuan diterima sebagai kandidat putaran pertama. Pengajuan tersebut mencakup beragam asumsi matematika: masalah kisi, fungsi hash, kriptografi berbasis kode, kriptografi berbasis isogeni, dan polinomial multivariat. Keragaman asumsi menjadi tujuan utama agar tidak menaruh semua harapan pada satu pendekatan.

Selama Putaran 1, NIST dan komunitas kriptografi yang lebih luas melakukan analisis mendalam terhadap seluruh 69 kandidat. Kriterianya mencakup keamanan (ketahanan terhadap serangan klasik dan kuantum), kinerja (ukuran kunci dan teks sandi, serta kecepatan komputasi), fleksibilitas (kumpulan parameter untuk tingkat keamanan yang berbeda), dan kesederhanaan implementasi. Pada Januari 2019, 26 kandidat maju ke Putaran 2.

Ke-26 kandidat Putaran 2 menjalani kriptanalisis yang lebih mendalam dan pembandingan kinerja. Beberapa skema berhasil dipatahkan atau dilemahkan selama putaran ini, termasuk Rainbow (multivariat) dan SIKE (berbasis isogeni, meskipun SIKE baru dipatahkan pada Putaran 3). Pada Juli 2020, 15 kandidat maju ke Putaran 3, yang terdiri atas 7 finalis dan 8 kandidat cadangan.

Ke-7 finalis Putaran 3 adalah Kyber, NTRU, SABER (KEM), serta Dilithium, FALCON, Rainbow, dan SPHINCS+ (tanda tangan). SIKE merupakan kandidat cadangan, tetapi berhasil dipatahkan secara spektakuler pada 2022. NIST memilih Kyber untuk standardisasi KEM berdasarkan desainnya yang sederhana dan jelas, pembuktian keamanannya yang kuat, serta kinerjanya yang sangat baik. Dilithium, FALCON, dan SPHINCS+ dipilih untuk tanda tangan.

NIST sengaja memilih algoritma yang didasarkan pada masalah matematika berbeda sebagai perlindungan terhadap terobosan di masa depan. ML-KEM dan ML-DSA mengandalkan Module-LWE (kisi). FALCON mengandalkan kisi NTRU dan pengambilan sampel Gaussian. SLH-DSA hanya mengandalkan keamanan fungsi hash. Jika terjadi terobosan terhadap kisi, SLH-DSA akan tetap aman dan menyediakan keragaman algoritmik dalam rangkaian yang distandardisasi.

Pada 2022, NIST membuka putaran keempat khusus untuk meminta kandidat tanda tangan tambahan, didorong oleh keinginan untuk memiliki keragaman tanda tangan yang lebih besar di luar skema berbasis kisi. Kandidatnya mencakup MAYO, CROSS, UOV, dan lainnya yang didasarkan pada asumsi multivariat dan berbasis kode. Proses ini berjalan bersamaan dengan finalisasi tiga standar awal (FIPS 203, 204, 205).

NIST menerbitkan standar PQC final pada Agustus 2024: FIPS 203 (ML-KEM, berdasarkan Kyber), FIPS 204 (ML-DSA, berdasarkan Dilithium), dan FIPS 205 (SLH-DSA, berdasarkan SPHINCS+). FIPS 206 (FN-DSA, berdasarkan FALCON) diharapkan menyusul. Standar-standar ini kini wajib dipertimbangkan oleh lembaga federal US dan memengaruhi standar di seluruh dunia melalui ISO, ETSI, dan IETF.

IETF dengan cepat memasukkan PQC ke dalam berbagai protokol. Draf RFC untuk ML-KEM dalam TLS 1.3, SSH, dan sertifikat X.509 sedang disusun pada 2024. Cloudflare, Google, dan Amazon mengumumkan rencana untuk menerapkan ML-KEM dalam tumpukan TLS mereka. Apple mengumumkan PQ3 untuk iMessage, yang menggunakan ML-KEM untuk kerahasiaan maju pascakuantum berbasis ratchet dan telah diterapkan pada lebih dari satu miliar perangkat.

Kompetisi PQC NIST menunjukkan bahwa standardisasi kriptografi yang terbuka dan kolaboratif dapat berjalan secara efektif. Beberapa skema yang sangat dihormati berhasil dipatahkan selama proses tersebut (GeMSS, SIKE, Rainbow), yang membuktikan pentingnya kriptanalisis publik yang luas. Kompetisi ini juga mendorong pengembangan implementasi perangkat keras yang efisien dan pustaka sumber terbuka (liboqs, PQClean), yang mempercepat adopsi.

Standardisasi pascakuantum belum selesai. NIST terus mengevaluasi skema tanda tangan tambahan untuk meningkatkan keragaman. Badan standar keuangan X9 sedang mengembangkan standar PQC untuk perbankan. ETSI dan ISO sedang menyelaraskan standar dengan FIPS NIST. Panduan migrasi sedang dikembangkan untuk sektor-sektor tertentu: layanan kesehatan (implikasi HIPAA), pertahanan (rangkaian CNSA 2.0 NSA), dan telekomunikasi (3GPP untuk 5G/6G).

Berapa banyak kandidat yang maju dari pengajuan awal ke Putaran 2 kompetisi PQC NIST?

NIST memulai proyek standardisasi PQC pada 2016 dan menerima 69 pengajuan lengkap. Tiga putaran evaluasi menyaring kandidat berdasarkan keamanan, kinerja, dan keragaman. Pilihan akhirnya adalah Kyber (ML-KEM, FIPS 203), Dilithium (ML-DSA, FIPS 204), SPHINCS+ (SLH-DSA, FIPS 205), dan FALCON (FN-DSA, FIPS 206). Kompetisi ini memvalidasi kriptanalisis terbuka dan menghasilkan standar yang kini diadopsi secara luas serta diintegrasikan ke dalam protokol TLS, SSH, dan perpesanan.