• крипто
  • безопасность
  • статьи
  • 05 дек. 25

Квантовая угроза: как блокчейн готовится к новой криптографической эре

Протоколы CRYSTALS-Kyber, STARK и новые стандарты NIST формируют пост квантовую криптографию. Как готовятся лидеры Web3?

0

Квантовая угроза и постквантовое шифрование

Современные криптографические протоколы шифрования десятилетиями обеспечивали цифровую безопасность. Они лежат в основе работы банков, государственных информационных систем, смарт-контрактов и блокчейн-сетей. Но даже самые стойкие из них окажутся уязвимыми в тот момент, когда квантовые компьютеры достигнут стабильного уровня. Эта угроза уже обсуждается не только на международных конференциях по кибербезопасности, но и в российских научных центрах. Например, в июле 2023 года «Ростелеком» совместно с компанией «Атлас» успешно протестировали квантовое распределение ключей (QKD) на магистральной линии TEA NEXT. Это — сигнал для того, что квантовая криптография перестаёт быть экспериментом и выходит в реальную практику. В отдельном материале мы подробно разбирали, как блокчейны противостоят атакам сегодня.

Для блокчейн-индустрии ситуация ещё более критична. Злоумышленники уже сейчас могут сохранять зашифрованные транзакции и данные смарт-контрактов с расчётом на то, что через несколько лет, в день так называемого «Q-Day», их можно будет вскрыть с помощью квантовых вычислений. Такая атака получила название «взлом отложенного действия» («сохрани сейчас — расшифруй потом»). И речь идёт не о далёком будущем: прогнозы называют горизонты в 5–10 лет, а в некоторых сценариях — и более короткие сроки.

Что такое постквантовая криптография?

Инфографика: стандарты постквантовой криптографии, CRYSTALS-Kyber и Dilithium) // Источник: New Electronics
Инфографика: стандарты постквантовой криптографии, CRYSTALS-Kyber и Dilithium) // Источник: New Electronics

Постквантовая криптография (ПКК) — это направление, которое разрабатывает криптографические протоколы шифрования, способные противостоять атакам квантовых компьютеров. В отличие от RSA и ECDSA, уязвимых для алгоритма Шора, или симметричных схем, ослабляемых алгоритмом Гровера, ПКК использует решётки, кодовую теорию, хэш-функции и многомерные подписи. Эти задачи считаются вычислительно сложными даже для квантовых машин.

В профессиональной среде широко обсуждается концепция «Q-Day» — момента, когда квантовый компьютер сможет за считанные часы взломать привычные криптографические алгоритмы. Именно этот сценарий всерьёз тревожит блокчейн-разработчиков: публичные ключи в большинстве сетей открыты и легко доступны, а значит, приватные ключи окажутся под угрозой. Не случайно Polkadot 3.0 интегрировал протокол CRYSTALS-Kyber, а zkSync перешёл на доказательства STARK. Эти кейсы показывают, что лидеры Web3 начинают строить квантово-устойчивую инфраструктуру заранее, пока угрозы ещё не стали реальностью. Подробно о том, как квантовые алгоритмы угрожают привычным криптосистемам, мы писали в этом материале.

Тикающие квантовые часы

Пример аппаратуры для квантовых вычислений // Источник: CNET
Пример аппаратуры для квантовых вычислений // Источник: CNET

Квантовые компьютеры меняют саму природу вычислений. В отличие от привычных машин, работающих с битами, они используют кубиты, которые могут находиться одновременно в нескольких состояниях благодаря явлению суперпозиции. Это свойство позволяет квантовым системам решать задачи, недоступные классическим компьютерам.

Для криптографии наиболее опасны два алгоритма. Алгоритм Шора способен разрушить безопасность RSA и эллиптических кривых (ECC) — ключевых инструментов для цифровых подписей и обмена ключами. Алгоритм Гровера ослабляет стойкость симметричных алгоритмов, сокращая сложность перебора ключей с экспоненциальной до квадратичной. Это означает, что привычные механизмы защиты в блокчейнах — кошельки, подписи и история транзакций — окажутся под угрозой в момент появления устойчивых квантовых машин.

Многие исследователи предполагают, что первые криптографически значимые квантовые компьютеры могут появиться уже к 2030–2031 году. Этот прогноз подтверждается как международными консорциумами, так и российскими научными центрами. Российский квантовый центр много лет ведёт проекты по квантовым коммуникациям и демонстрировал городские QKD-сети, включая межофисную линию «Газпромбанка» в Москве. Параллельно в Сколтехе развиваются квантовые направления (фотоника, квантовые технологии). Часы действительно тикают, и когда стрелка приблизится к «Q-Day», блокчейнам придётся противостоять атаке, к которой они изначально не были готовы. О том, как может выглядеть возможное будущее блокчейна, мы написали тут.

Почему блокчейны — особая цель?

Схема публичной структуры блокчейна // Источник: Research Gate
Схема публичной структуры блокчейна // Источник: Research Gate

Блокчейн создавался как децентрализованная и прозрачная технология, но не как система, способная противостоять квантовым атакам. В её архитектуре публичные ключи становятся доступными при каждой транзакции, а значит, квантовый компьютер сможет использовать их для вычисления приватных ключей.

В Bitcoin публичные ключи раскрываются в момент траты монет. В Ethereum аналогичная ситуация: публичный ключ всегда включается в детали транзакции, нужный для проверки подписи, и становится доступен всем после публикации блока. Если квантовый компьютер научится обратному расчёту приватных ключей из публичных, миллионы адресов окажутся уязвимыми. Особенно это касается старых кошельков, созданных по устаревшим стандартам: их взлом может занять считанные минуты.

Угроза усугубляется необратимостью транзакций. Если квантовый злоумышленник получит доступ к приватным ключам и переведёт средства, вернуть их будет невозможно. Так, под удар попадут не только активные пользователи, но и владельцы «спящих» кошельков, где годами хранятся значительные объёмы криптовалюты.

В российском экспертном поле активно обсуждают квантовые риски для классической криптографии (в т.ч. используемой в блокчейнах) и переход к постквантовым стандартам. Национальный институт стандартов и технологий США, NIST, уже опубликовал первые полноценные стандарты постквантового шифрования, что задаёт ориентиры и для российского рынка. 

Именно поэтому блокчейн-сети становятся «лакомой целью» для потенциальных атак. Они сочетают публичность, децентрализованность и невозможность отката транзакций — а это уникальный набор уязвимостей, которых нет у традиционных централизованных систем.

Стратегии протоколов в эпоху после классического шифрования

Когда создавались первые блокчейны, угрозу квантовых атак практически никто не учитывал. Но сегодня становится ясно: действующие алгоритмы быстро теряют актуальность. Чтобы подготовиться к «Q-Day», экосистемы разрабатывают целые стратегии миграции — от точечных обновлений до полной замены криптографических примитивов.

Алгоритмы Post-Quantum Cryptography

Наиболее очевидное направление — замена RSA и ECDSA на более устойчивые алгоритмы. CRYSTALS-Kyber и CRYSTALS-Dilithium уже прошли одобрение NIST и считаются стандартом постквантовой криптографии. Kyber используется для шифрования и механизма инкапсуляции ключей (KEM), а Dilithium для цифровых подписей. Polkadot 3.0 начал интеграцию этих протоколов в свою сеть, демонстрируя, что переход может быть реализован без полной перестройки консенсуса. Главная сложность — увеличение размера ключей и подписей, что замедляет работу и требует дополнительной оптимизации.

Гибридные модели

Другой путь — постепенный переход через гибридные криптосистемы. Google Chrome уже внедрил гибридные рукопожатия, где одновременно применяются классические и постквантовые алгоритмы. В случае взлома одного механизма второй остаётся резервом. 

В России гибридные модели тоже обсуждаются. Так, протокол TLS 1.3 стандартизирован по ГОСТ-криптографии. Кроме того, российская компания «Криптонит» создала криптографический механизм «Кодиеум», который поможет защитить пользователям свои данные в интернете. Такие проекты показывают, что Россия рассматривает постквантовую криптографию не как эксперимент, а как необходимую практику для защиты банковских транзакций и госуслуг.

STARK-доказательства как альтернатива

Некоторые проекты выбирают более радикальные решения. Вместо того чтобы защищать публичные ключи, они переходят к доказательствам с нулевым разглашением. В zkSync апгрейд Boojum заменил SNARK на STARK-доказательства. В отличие от SNARK, зависящих от эллиптических кривых, STARK строятся на хэш-функциях, что делает их более устойчивыми к алгоритму Гровера. Их надёжность опирается на стойкость хэш-функций, например SHA-256, и не требует доверенной инициализации.

Для Ethereum это стало шагом вперёд: zkSync фактически создал гибридную модель, когда STARK-доказательства можно конвертировать в SNARK-формат и проверять их на уровне основной сети. Такой подход снижает стоимость транзакций и делает экосистему более устойчивой к квантовым угрозам.

Квантовое распределение ключей

На стыке науки и технологий развивается квантовое распределение ключей (QKD). Суть метода — использовать квантовые частицы для передачи ключей, что делает перехват физически невозможным. В теории этот метод обеспечивает абсолютную защиту, но требует дорогостоящего оборудования и пока ограничен в радиусе действия.

Внедрение Kyber в Polkadot 3.0

Архитектура Polkadot // Источник: Zeeve
Архитектура Polkadot // Источник: Zeeve

Polkadot стал одним из первых блокчейнов, где постквантовая криптография внедряется не в виде эксперимента, а как часть протокольной логики. В дорожной карте версии Polkadot 3.0 заявлена поддержка ML-KEM — реализации CRYSTALS-Kyber, утверждённой Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST). Этот механизм инкапсуляции ключей отвечает требованиям стандарта IND-CCA-2 (стойкость к адаптивным атакам с выбором шифртекста). Иными словами, даже если злоумышленник сможет перехватывать и модифицировать зашифрованный трафик, Kyber останется защищённым.

Главная задача интеграции Kyber — обеспечение безопасного взаимодействия между парачейнами. Поскольку Polkadot строится на принципе параллельных блокчейнов, защита обмена данными между ними критична. Kyber даёт возможность шифровать сообщения без существенных потерь в скорости.

Ещё одно преимущество — компактность ключей и шифртекстов. Многие постквантовые алгоритмы увеличивают размер данных и замедляют сеть, но Kyber остаётся относительно «лёгким». Это важно для экосистемы Polkadot, где высокая пропускная способность и масштабируемость являются стратегическими целями.

zkSync Era и STARK-доказательства

Схематичная визуализация zkSync // Источник: Zeeve
Схематичная визуализация zkSync // Источник: Zeeve

В экосистеме Ethereum наиболее ярким примером перехода к постквантовой устойчивости стало решение уровня L2 — zkSync, разработанное компанией Matter Labs. В отличие от Polkadot, где ставка сделана на Kyber и цифровые подписи нового поколения, zkSync пошёл другим путём и сделал акцент на доказательствах с нулевым разглашением.

Ранее в zkSync применялись SNARK-доказательства, основанные на эллиптических кривых. Их слабое место заключалось в необходимости доверенной инициализации и зависимости от математических задач, уязвимых для алгоритма Шора. Апгрейд Boojum полностью изменил модель: система перешла на STARK-доказательства. В отличие от SNARK, STARK опираются на хэш-функции и обладают свойством прозрачной инициализации. Это делает их более квантово-устойчивыми и снижает риски криптографических уязвимостей.

Преимущества STARK заключаются не только в стойкости, но и в доступности. Boojum позволяет генерировать доказательства даже на обычных потребительских видеокартах, что удешевляет участие и повышает децентрализацию. Мы видим, что zkSync превращается в одно из первых L2-решений, где квантовая угроза учитывается не теоретически, а на уровне архитектуры.

Кроме того, zkSync использует гибридный подход. STARK-доказательства могут транслироваться в SNARK-формат и проверяться в основной сети Ethereum. Это снижает нагрузку на Layer-1 и одновременно сохраняет защиту от квантовых атак. Такой механизм даёт zkSync преимущество: вместо полной перестройки протокола экосистема уже встроила в себя модель, которую эксперты называют квантово-устойчивой по умолчанию.

Другие участники гонки за квантовую устойчивость

Мессенджер Signal — символ гибридных моделей, защищающих обмен ключами) // Источник: Signal
Мессенджер Signal — символ гибридных моделей, защищающих обмен ключами) // Источник: Signal

Хотя чаще всего в числе лидеров постквантовой криптографии называют Polkadot и zkSync, многие другие проекты также активно исследуют эту сферу.

Одним из ярких примеров за пределами блокчейнов стал мессенджер Signal, внедривший протокол PQXDH. Он является модификацией X3DH и использует CRYSTALS-Kyber в сочетании с классическими алгоритмами. Такая гибридная модель позволяет повысить устойчивость обмена ключами и при этом сохранить совместимость с текущей инфраструктурой. Для пользователей это означает, что переписка в Signal защищена не только от сегодняшних угроз, но и от потенциальных атак будущего.

На корпоративном уровне выделяется IBM. В линейке серверов z16 компания реализовала квантово-устойчивые криптографические стеки. Эти решения ориентированы на банки и государственные учреждения, которые чаще других становятся мишенью для киберпреступников.

На уровне международных инициатив ключевую роль играет программа EU Quantum Flagship, которая финансирует разработку квантового распределения ключей (QKD) и постквантовых алгоритмов для телекоммуникаций и финансовых сетей. Европа инвестирует миллиарды евро в эти исследования, что подтверждает стратегический характер квантовой безопасности.

Чек-лист миграции

Постквантовые вычисления уже не воспринимаются как далёкая теория. Научные исследования и пилотные проекты показывают: вопрос не в том, появятся ли квантовые компьютеры, а в том, когда именно они станут инструментом для атак. Для блокчейнов и финансовых систем подготовка к этому моменту должна начинаться заранее.

Первым шагом становится инвентаризация криптографии. Разработчики должны определить все элементы, где используется асимметричное шифрование: кошельки, системы авторизации, протоколы обмена ключами. Только полная карта криптографических активов позволяет понять уязвимости.

Следующим этапом идёт классификация данных. Наибольшую ценность для злоумышленников представляют долгосрочные данные, которые не теряют значимости с течением времени: ключи, подписи, конфиденциальные транзакции. Именно они становятся целью атак по принципу «сохрани сейчас — расшифруй потом».

Далее важно перейти к пилотированию гибридных моделей. TLS 1.3 уже допускает комбинацию классических и постквантовых алгоритмов. Использование CRYSTALS-Kyber в связке с традиционными ключами создаёт резервный механизм: даже если один уровень будет скомпрометирован, второй останется защитой. Не менее важна оценка кошельков и схем подписей. Новые алгоритмы, такие как Dilithium, могут быть внедрены для защиты аккаунтов и подтверждения транзакций. Для блокчейнов это означает необходимость постепенной миграции ключей пользователей и валидаторов.

Ключевым направлением остаётся тестирование клиентов и мостов. Парачейны, L2-решения и кроссчейн-сервисы должны регулярно проводить стресс-тесты и моделировать потенциальные атаки. И, наконец, необходимо разрабатывать планы поэтапного обновления. Масштабные революции в инфраструктуре всегда несут риски, поэтому логичнее внедрять постквантовые решения постепенно. 

Заключение

Квантовая угроза: как блокчейн готовится к новой криптографической эре // Иллюстрация: Midjourney
Квантовая угроза: как блокчейн готовится к новой криптографической эре // Иллюстрация: Midjourney

Квантовые вычисления перестали быть научной гипотезой и превращаются в фактор, способный радикально изменить правила цифровой безопасности. Сегодня речь идёт не о «далёком будущем», а о горизонте нескольких лет. Для банков, госструктур, корпораций и особенно блокчейнов это означает: криптографические протоколы шифрования, которые десятилетиями казались незыблемыми, рискуют оказаться уязвимыми.

В индустрии уже появляются проекты, которые закладывают фундамент квантово-устойчивой инфраструктуры. Polkadot 3.0 внедряет протокол CRYSTALS-Kyber, zkSync развивает STARK-доказательства, Signal экспериментирует с PQXDH, IBM интегрирует защиту в серверы z16. В Европе работает программа Quantum Flagship, а в России «Ростелеком-Солар», «Газпромбанк» и Российский квантовый центр тестируют квантовое распределение ключей и гибридные криптографические модели. Всё это доказывает: подготовка к постквантовой эре уже началась.

Однако большинство блокчейн-сетей остаются неподготовленными. Учитывая публичность ключей и необратимость транзакций, именно блокчейны станут самыми привлекательными целями для атак в день наступления «Q-Day». Поэтому разработчикам важно задуматься уже сегодня: готова ли их криптография к вызовам будущего? Лучший выход — поэтапная миграция на постквантовые протоколы, тестирование гибридных моделей и внимательное отслеживание регуляторных инициатив.

Постквантовая криптография — это не просто новая область науки, а ключевой инструмент сохранения доверия к цифровым деньгам, контрактам и коммуникациям. Важно не ждать удара, а встретить квантовую эру подготовленными.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Выдержит ли симметричный AES-256 квантовые атаки?

По современным оценкам, AES-256 останется устойчивым. Алгоритм Гровера ускоряет перебор, но длины ключа достаточно для защиты.

Что такое постквантовое шифрование?

Это набор алгоритмов, которые используют задачи, неподвластные квантовым компьютерам: решётки, хэш-функции, кодовую теорию. Они считаются безопасными даже после наступления «Q-Day».

Чем постквантовая криптография отличается от традиционной?

Классическая криптография базируется на факторизации RSA и дискретных логарифмах в ECC, которые могут быть взломаны квантовыми машинами. Постквантовая криптография опирается на иные математические задачи, например механизм инкапсуляции ключей (KEM) или схемы цифровых подписей на решётках.

Когда квантовые компьютеры смогут взломать текущее шифрование?

Прогнозы варьируются: одни эксперты говорят о горизонте в 5–10 лет, другие считают, что угроза может возникнуть раньше. В любом случае, миграцию необходимо начинать уже сейчас.

Почему блокчейны более уязвимы к квантовым угрозам?

Потому что публичные ключи в них открыты, а транзакции необратимы. Это делает взлом особенно опасным: вернуть украденные средства будет невозможно.

Какие блокчейны считаются лидерами в постквантовой подготовке?

Сегодня в числе лидеров называют Polkadot 3.0 и zkSync, которые интегрируют CRYSTALS-Kyber и STARK-доказательства. В России эксперименты в этой сфере ведут исследовательские центры и корпоративные структуры, тестируя квантовое распределение ключей и гибридные модели.

0

Комментарии

0