QUANTUM COMPUTING THREATS TO CLASSICAL CRYPTOGRAPHIC MECHANISMS: A SURVEY OF POST‑QUANTUM CRYPTOGRAPHY READINESS
DOI:
https://doi.org/10.51453/3093-3706/2026/1479Tóm tắt
The rapid advancement of quantum computing poses a fundamental threat to classical cryptographic mechanisms that underpin modern digital security. Shor’s algorithm can efficiently solve integer factorization and discrete logarithm problems, thereby breaking widely used public-key cryptosystems such as RSA, ECC, and Diffie–Hellman. Grover’s algorithm also reduces the effective security of symmetric encryption and hash functions by half. This paper provides a systematic analysis of the impact of quantum attacks on current cryptographic infrastructures, including TLS, digital signatures, and blockchain. We then review the state of post-quantum cryptography (PQC) as standardized by NIST, focusing on three leading candidates: CRYSTALS-Kyber for key encapsulation, and CRYSTALS-Dilithium and FALCON for digital signatures. Through simulation using the Open Quantum Safe (liboqs) library on a standard x86_64 platform, we measure key generation time, encryption/signing speed, decryption/verification latency, and key/signature sizes. Our results show that Kyber-768 achieves key generation in <0.1 ms and produces public keys of about 1.2 KB, while Dilithium-3 generates signatures of ~2.7 KB with verification times under 0.3 ms. Compared to RSA-2048 and ECDSA-P256, PQC algorithms offer competitive performance at the cost of larger key and signature sizes. Based on these findings, we propose a hybrid transition roadmap that combines classical and PQC algorithms in parallel, minimizing risk while maintaining backward compatibility. The paper concludes that organizations should begin immediate preparations for the post-quantum era, especially for data requiring long-term confidentiality.
Tải xuống
Tài liệu tham khảo
[1] IBM, “IBM unveils Condor: 1,121‑qubit quantum processor”, IBM Newsroom, 2023.
[2] P. W. Shor, “Polynomial‑time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer”, SIAM Journal on Computing, vol. 26, no. 5, pp. 1484–1509, 1997.
[3] L. K. Grover, “A fast quantum mechanical algorithm for database search”, in Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing (STOC), 1996, pp. 212–219.
[4] M. Mosca, “Cybersecurity in an era with quantum computers: Will we be ready?”, IEEE Security & Privacy, vol. 16, no. 5, pp. 38–41, 2018.
[5] G. Alagic, D. Apon, D. Cooper, Q. Dang, T. D. T. Y. K. K. T., et al., “Status report on the third round of the NIST post‑quantum cryptography standardization process”, NIST Internal Report 8413, National Institute of Standards and Technology, 2022.
[6] D. J. Bernstein and T. Lange, “Post‑quantum cryptography”, Nature, vol. 549, pp. 188–194, 2017.
[7] R. L. de Oliveira, G. L. de Souza, and M. A. S. Netto, “A survey on post‑quantum cryptography for the Internet of Things”, Journal of Network and Computer Applications, vol. 185, 103082, 2021.
[8] M. A. Nielsen and I. L. Chuang, “Quantum Computation and Quantum Information”, 10th anniversary ed. Cambridge University Press, 2010.
[9] C. Gidney and M. Ekerå, “How to factor 2048‑bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits”, Quantum, vol. 5, p. 433, 2021.
[10] D. Moody, G. Alagic, D. Apon, et al., “Status report on the second round of the NIST post‑quantum cryptography standardization process”, NIST IR 8309, 2020.
[11] The Open Quantum Safe Project, “liboqs: C library for quantum‑safe cryptographic algorithms”, https://github.com/open-quantum-safe/liboqs, accessed March 2025.
[12] S. Stebila and M. Mosca, “Post‑quantum key exchange for the Internet and the Open Quantum Safe project”, in Selected Areas in Cryptography – SAC 2016, Springer, 2017, pp. 397–420.
[13] N. Bindel, U. Herath, M. McKague, and D. Stebila, “Transitioning to a quantum‑resistant public key infrastructure”, in International Conference on Post‑Quantum Cryptography, Springer, 2017, pp. 50–68.
[14] Internet Engineering Task Force, “Hybrid key exchange in TLS 1.3”, IETF Internet‑Draft draft‑ietf‑tls‑hybrid‑design‑10, 2024.
[15] E. Barker, W. Barker, W. Burr, W. Polk, and M. Smid, “Recommendation for key management”, NIST Special Publication 800‑57 Part 1 Rev. 5, 2020.
Tải xuống
Đã Xuất bản
Cách trích dẫn
Số
Chuyên mục
Giấy phép
Tác phẩm này được cấp phép theo Giấy phép Quốc tế Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 .
Bài báo được xuất bản ở Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào được cấp phép theo giấy phép Ghi công - Chia sẻ tương tự 4.0 Quốc tế (CC BY-SA). Theo đó, các tác giả khác có thể sao chép, chuyển đổi hay phân phối lại các bài báo này với mục đích hợp pháp trên mọi phương tiện, với điều kiện họ trích dẫn tác giả, Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào và đường link đến bản quyền; nêu rõ các thay đổi đã thực hiện và các nghiên cứu đăng lại được tiến hành theo cùng một bản quyền.
Bản quyền bài báo thuộc về các tác giả, không hạn chế số lượng. Tạp chí Khoa học Tân Trào được cấp giấy phép không độc quyền để xuất bản bài báo với tư cách nhà xuất bản nguồn, kèm theo quyền thương mại để in các bài báo cung cấp cho các thư viện và cá nhân.
Mặc dù các điều khoản của giấy phép CC BY-SA không dành cho các tác giả (với tư cách là người giữ bản quyền của bài báo, họ không bị hạn chế về quyền hạn), khi gửi bài tới Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào, tác giả cần đáp ứng quyền của độc giả, và cần cấp quyền cho bên thứ 3 sử dụng bài báo của họ trong phạm vi của giấy phép.