Investigadores de la East Texas A&M University han desarrollado lo que describen como el primer diseño post-cuántico implementado y evaluado experimentalmente para la Lightning Network de Bitcoin. Lightning, la capa de pagos fuera de cadena de Bitcoin, enruta transacciones a través de una red de nodos cuyas identidades, facturas y mensajería dependen actualmente de la criptografía clásica. El sistema, conocido como PQLN, protege las funciones de comunicación y pago fuera de cadena de la red sin requerir ningún cambio en las reglas de consenso de Bitcoin.

La investigación PQLN, publicada por Ahmet Kurt, Abdul-Salem Beibitkhan, Yacoub Hanna y Abdullah Aydeger, abarca cinco superficies centrales de Lightning: gossip, transporte entre pares, facturas, payment onions y ofertas BOLT 12. El equipo implementó el diseño en rust-lightning y lo validó contra nodos Lightning reales.

PQLN combina firmas digitales ML-DSA e intercambio de claves ML-KEM con la criptografía existente de Lightning. Ambos algoritmos fueron estandarizados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST) en 2024 bajo FIPS 204 y FIPS 203, respectivamente.

PQLN protege cinco superficies de Lightning

Lightning depende actualmente en gran medida de la criptografía de curvas elípticas secp256k1. Una computadora cuántica suficientemente capaz que ejecute el algoritmo de Shor podría derivar claves secretas a partir de claves públicas expuestas, abriendo la puerta a la suplantación de nodos, facturas falsificadas, descifrado de transporte y desanonimización de rutas de pago.

El nuevo sistema aborda esta exposición cuántica existente en Lightning sin intentar reemplazar la criptografía en cadena de Bitcoin. PQLN distribuye identidades de nodos post-cuánticas a través del gossip de BOLT 7, añade ML-KEM al handshake de transporte BOLT 8, firma facturas BOLT 11 con ML-DSA y extiende protecciones post-cuánticas a las ofertas BOLT 12. Las payment onions bajo BOLT 4 conservan su formato existente, con secretos híbridos ML-KEM transportados junto a ellas.

Las transacciones de funding, commitment y penalty quedan fuera del alcance del sistema. Sus claves están arraigadas en transacciones de Bitcoin y requerirían cambios a nivel del protocolo de Bitcoin para recibir una protección equivalente.

Por separado, los desarrolladores de Bitcoin están discutiendo enfoques a nivel de protocolo como BIP 360, mientras que StarkWare demostró en agosto una transacción segura frente a lo cuántico en la mainnet de Bitcoin sin alterar las reglas de consenso. PQLN aborda la capa de aplicación de Lightning de ese mismo problema, donde se intercambian identidades,uras y datos de enrutamiento.

La sobrecarga criptográfica se mantiene por debajo de un milisegundo

Las pruebas encontraron que la computación post-cuántica añadió relativamente poco tiempo de procesamiento. La operación criptográfica más lenta medida por los investigadores, la firma con ML-DSA, tomó 0.33 milisegundos.

Los pagos sobre una conexión a internet emulada de 50 milisegundos tomaron 19 a 53 milisegundos adicionales por salto, y la mayor parte de ese retraso provino de la transmisión de datos post-cuánticos más grandes en lugar de los cálculos criptográficos en sí.

El ancho de banda y el almacenamiento produjeron un costo sustancialmente mayor. Usando ML-DSA, un nodo PQLN descargó aproximadamente 10 veces más datos de gossip y almacenó cerca de nueve veces más que un nodo sin modificar. Aplicado a una red con alrededor de 33,000 canales públicos, las mediciones implican que una descarga inicial de gossip crecería de unos 26 MB a aproximadamente 270 MB. Elegir el esquema de firmas más pequeño FN-DSA-512 redujo el crecimiento del gossip a aproximadamente cuatro veces el nivel actual. En conjunto, las cifras indican que para los operadores de nodos, el mayor costo de una transición post-cuántica provendría del volumen de datos en lugar de la computación.

Los nodos Lightning existentes mantienen compatibilidad

Los investigadores probaron 12 configuraciones que combinaban nodos PQLN y Lightning estándar. Los pagos se completaron cuando nodos actualizados y sin modificar compartían una ruta, con conexiones que recurrían a la criptografía clásica cuando la protección post-cuántica no estaba disponible. Los operadores que buscan garantías más estrictas pueden habilitar en su lugar un modo que rechaza dichas degradaciones y detiene el pago antes de que se envíe un HTLC.

La implementación de código abierto añade alrededor de 11,000 líneas a un fork de investigación de rust-lightning. Sus desarrolladores describen el código como un artefacto de investigación en lugar de un lanzamiento de producción, y aún se requieren pruebas adicionales de interoperabilidad contra Core Lightning, LND y Eclair. Esas pruebas son el siguiente paso para determinar si el diseño puede ir más allá de un artefacto de investigación.

NIST ya ha estandarizado ML-KEM y ML-DSA y señala que las organizaciones deberían comenzar ahora a migrar lejos de la criptografía de clave pública vulnerable a lo cuántico. Bajo su plan de transición actual, los algoritmos vulnerables serán declarados obsoletos y finalmente eliminados para 2035, y se espera que los sistemas de mayor riesgo hagan la transición antes. Dado que PQLN opera sin cambios de consenso, le da a Lightning una forma de alinear las comunicaciones a nivel de nodos con ese cronograma de manera independiente de las decisiones del protocolo base de Bitcoin.

Fuente: Crypto Adventure