Ricercatori della East Texas A&M University hanno sviluppato quello che descrivono come il primo design post-quantistico implementato e valutato sperimentalmente per la Lightning Network di Bitcoin. Lightning, il livello di pagamenti off-chain di Bitcoin, instrada le transazioni attraverso una rete di nodi le cui identità, fatture e messaggistica si affidano attualmente alla crittografia classica. Il sistema, noto come PQLN, protegge le funzioni di comunicazione e pagamento off-chain della rete senza richiedere modifiche alle regole di consenso di Bitcoin.

La ricerca PQLN, pubblicata da Ahmet Kurt, Abdul-Salem Beibitkhan, Yacoub Hanna e Abdullah Aydeger, copre cinque superfici principali di Lightning: gossip, trasporto tra peer, fatture, payment onion e offerte BOLT 12. Il team ha implementato il design in rust-lightning e lo ha validato su nodi Lightning reali.

PQLN combina firme digitali ML-DSA e scambio di chiavi ML-KEM con la crittografia esistente di Lightning. Entrambi gli algoritmi sono stati standardizzati dal National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti nel 2024 rispettivamente sotto FIPS 204 e FIPS 203.

PQLN protegge cinque superfici di Lightning

Lightning dipende attualmente in larga misura dalla crittografia a curve ellittiche secp256k1. Un computer quantistico sufficientemente potente che esegua l'algoritmo di Shor potrebbe ricavare chiavi segrete da chiavi pubbliche esposte, aprendo la porta a impersonificazione di nodi, fatture contraffatte, decifratura del trasporto e deanonymizzazione delle rotte di pagamento.

Il nuovo sistema affronta questa esposizione quantistica esistente su Lightning senza tentare di sostituire la crittografia on-chain di Bitcoin. PQLN distribuisce identità post-quantistiche dei nodi tramite il gossip BOLT 7, aggiunge ML-KEM all'handshake di trasporto BOLT 8, firma le fatture BOLT 11 con ML-DSA ed estende le protezioni post-quantistiche alle offerte BOLT 12. I payment onion sotto BOLT 4 mantengono il loro formato esistente, con i segreti ibridi ML-KEM trasportati al loro fianco.

Le transazioni di funding, commitment e penalty restano fuori dall'ambito del sistema. Le loro chiavi sono radicate nelle transazioni Bitcoin e richiederebbero modifiche a livello di protocollo Bitcoin per ricevere una protezione equivalente.

Separatamente, gli sviluppatori Bitcoin stanno discutendo approcci a livello di protocollo come BIP 360, mentre StarkWare ha dimostrato ad agosto una transazione quantum-safe sulla mainnet di Bitcoin senza alterare le regole di consenso. PQLN affronta il livello applicativo Lightning stesso problema, dove identità, fatture e dati di instradamento vengono scambiati.

L'overhead crittografico resta sotto un millisecondo

I test hanno rilevato che il calcolo post-quantistico ha aggiunto tempi di elaborazione relativamente ridotti. L'operazione crittografica più lenta misurata dai ricercatori, la firma ML-DSA, ha richiesto 0,33 millisecondi.

I pagamenti su una connessione internet emulata da 50 millisecondi hanno comportato un ulteriore ritardo di 19-53 millisecondi per hop, gran parte del quale derivante dalla trasmissione di dati post-quantistici più grandi piuttosto che dai calcoli crittografici stessi.

Banda e archiviazione hanno prodotto un costo sostanzialmente maggiore. Utilizzando ML-DSA, un nodo PQLN ha scaricato circa 10 volte più dati di gossip e ne ha archiviati circa nove volte tanto rispetto a un nodo non modificato. Applicate a una rete con circa 33.000 canali pubblici, le misurazioni implicano che un download iniziale del gossip crescerebbe da circa 26 MB a circa 270 MB. La scelta dello schema di firme più piccolo FN-DSA-512 ha ridotto la crescita del gossip a circa quattro volte il livello attuale. Nel complesso, le cifre indicano che per gli operatori di nodi il costo più pesante di una transizione post-quantistica deriverebbe dal volume di dati piuttosto che dal calcolo.

I nodi Lightning esistenti restano compatibili

I ricercatori hanno testato 12 configurazioni che combinavano nodi PQLN e nodi Lightning standard. I pagamenti sono stati completati quando nodi aggiornati e non modificati condividevano una rotta, con connessioni che ripiegavano sulla crittografia classica quando la protezione post-quantistica non era disponibile. Gli operatori che cercano garanzie più rigorose possono invece attivare una modalità che rifiuta tali declassamenti e interrompe il pagamento prima dell'invio di un HTLC.

L'implementazione open source aggiunge circa 11.000 righe a un fork di ricerca di rust-lightning. I suoi sviluppatori descrivono il codice come un artefatto di ricerca piuttosto che una versione di produzione, e sono ancora necessari ulteriori test di interoperabilità con Core Lightning, LND ed Eclair. Questi test rappresentano il passo successivo per determinare se il design possa andare oltre lo stadio di artefatto di ricerca.

Il NIST ha già standardizzato ML-KEM e ML-DSA e afferma che le organizzazioni dovrebbero iniziare ora a migrare dalla crittografia a chiave pubblica vulnerabile ai computer quantistici. Secondo il suo attuale piano di transizione, gli algoritmi vulnerabili saranno deprecati e infine rimossi entro il 2035, con i sistemi a rischio più elevato attesi a transitare prima. Poiché PQLN opera senza modifiche al consenso, offre a Lightning un modo per allineare le comunicazioni a livello di nodo con tale tempistica indipendentemente dalle decisioni sul protocollo di base di Bitcoin.

Fonte: Crypto Adventure