Capítulo 19 — Segurança quântica e pós-quântica: escopo e teoria

Mapa da aula

Aula 19 publicada. Mapa, exemplo, EX037.

flowchart TD
  N0["19.1 Escopo"]
  N1["19.2 PQC versus QKD"]
  N2["19.3 A desigualdade de Mosca"]
  N3["19.4 Atividade prática — Laboratório M"]
  N4["19.5 Normas e situação da transição"]
  N5["Síntese"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5
  N5 --> EX["Exemplo resolvido"]
  EX --> Q["Exercício EX037"]

Desenho lógico

flowchart LR
  N0["19.1 Escopo"]
  N1["19.2 PQC versus QKD"]
  N2["19.3 A desigualdade de Mosca"]
  N3["19.4 Atividade prática — Laboratório M"]
  N4["19.5 Normas e situação da transição"]
  N5["Síntese"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> Q["EX037"]

[19.1 Escopo]
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[19.2 PQC versus QKD]
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[19.3 A desigualdade de Mosca]
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[19.4 Atividade prática — Laboratório M]
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[19.5 Normas e situação da transição]
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[Síntese]
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[Exemplo resolvido] --> [Exercício EX037]

Objetivos de aprendizagem

Você vai (1) definir o escopo da segurança quântica e pós-quântica; (2) enunciar a desigualdade de Mosca e aplicá-la variando as hipóteses; (3) distinguir a criptografia pós-quântica da distribuição quântica de chaves; e (4) resumir a situação das normas do NIST e das orientações de transição.

19.1 Escopo

A área cobre quatro perguntas. O que os computadores quânticos podem fazer com a criptografia? (O Shor quebra o RSA, o Diffie–Hellman e as curvas elípticas; o Grover enfraquece quadraticamente a busca simétrica.) O que substitui os algoritmos vulneráveis? (A criptografia pós-quântica: algoritmos clássicos que se acredita resistirem ao ataque quântico.) Como as organizações migram? (Inventário, priorização, implantação híbrida, agilidade.) E que papel, se algum, cabe às tecnologias de comunicação quântica, como a distribuição quântica de chaves (QKD)? Este livro se concentra nas três primeiras, porque a PQC roda nos computadores e redes de hoje.

A QKD é discutida brevemente abaixo.

19.2 PQC versus QKD

Os algoritmos PQC, como o ML-KEM, são implementações em software e hardware de esquemas matemáticos; eles funcionam em qualquer rede. A QKD usa estados quânticos da luz para estabelecer chaves e precisa de enlaces dedicados e nós confiáveis, e ainda precisa de autenticação clássica. A NSA declarou que não apoia a QKD para os sistemas de segurança nacional e recomenda, em vez disso, os algoritmos resistentes à computação quântica. Para uma organização como a HCU, a PQC é o caminho prático.

Os enlaces da HCU passam por linhas dedicadas alugadas e pela internet, onde a QKD exigiria uma infraestrutura nova.

19.3 A desigualdade de Mosca

Mosca (2018) deu à área a sua regra de planejamento. Seja x o tempo durante o qual os dados precisam continuar seguros, y o tempo que a migração leva e z o tempo até que exista um computador quântico criptograficamente relevante (CRQC). Se x + y > z, você já está atrasado para esses dados. Como z é desconhecido, varie-o: as decisões corretas em toda uma faixa plausível de z são robustas.

Para a HCU, os trinta anos do arquivo tornam grande o lado esquerdo, qualquer que seja o tempo de migração escolhido. Mesmo que um CRQC estivesse a quarenta anos de distância, uma migração que levasse mais de dez anos deixaria parte dos dados do arquivo exposta. A desigualdade transforma uma pergunta irrespondível, quando a máquina vai chegar, numa pergunta utilizável: para quais dados a resposta não importa?

19.4 Atividade prática — Laboratório M

# Lab M (ch 19): Mosca's inequality x + y > z for synthetic Harbourline Credit Union data, sweeping z.
assets = [  # (name, shelf-life x in years, migration time y in years) - synthetic
    ("mortgage archive", 30, 4), ("member records", 10, 3), ("card authorisation", 0.01, 5), ("branch VPN traffic", 7, 2)]
for z in (10, 15, 20):  # years until a cryptographically relevant quantum computer: an assumption, not a forecast
    late = [n for n, x, y in assets if x + y > z]
    print(f"z={z:>2}: at risk now -> {', '.join(late) if late else 'none'}")

Saída esperada:

z=10: at risk now -> mortgage archive, member records
z=15: at risk now -> mortgage archive
z=20: at risk now -> mortgage archive

As mensagens de autorização de cartão têm vida curta, então saem da lista; o arquivo de financiamentos imobiliários está em risco sob todas as hipóteses da variação. Essa é a conclusão robusta.

O laboratório varia o tempo de chegada desconhecido em três valores e, para cada um, imprime as classes de dados da HCU cujo tempo de confidencialidade mais o tempo de migração o excede. Os registros dos associados aparecem apenas sob a hipótese mais curta, então a sua situação depende da data incerta; o arquivo de financiamentos imobiliários aparece nas três. As classes que mudam de situação dentro da variação são onde a data realmente importa, e elas precisam de um julgamento mais cuidadoso e de revisão regular à medida que as estimativas mudam. As classes que nunca aparecem, como as mensagens de cartão, podem esperar as atualizações de rotina.

19.5 Normas e situação da transição

As FIPS 203, 204 e 205 são finais (agosto de 2024). A SP 800-227 dá recomendações para o uso de KEMs. O rascunho IR 8547 do NIST propõe tornar obsoletos, depois de 2030, os algoritmos vulneráveis à computação quântica com segurança de 112 bits e proibir, depois de 2035, os algoritmos de chave pública vulneráveis à computação quântica; como rascunho, ele sinaliza uma direção, e não datas vinculantes. O FN-DSA (FIPS 206) e uma norma baseada no HQC estavam em desenvolvimento em 12 de outubro de 2026. O RFC 9794 define a terminologia dos esquemas híbridos pós-quânticos/tradicionais (PQ/T).

A HCU acompanha esses documentos com a sua situação e a data da verificação.

19.6 Exemplo resolvido

O conselho da HCU pede uma resposta num único slide. "Os computadores quânticos capazes de quebrar a nossa criptografia de chave pública não existem hoje, e a sua data é incerta. O nosso arquivo de financiamentos imobiliários precisa permanecer confidencial por 30 anos, então as transferências gravadas estão em risco sob qualquer cronograma plausível; vamos proteger esses fluxos primeiro, com troca de chaves híbrida pós-quântica, seguindo as normas de 2024 do NIST. As assinaturas e os dispositivos seguem um cronograma planejado, alinhado ao rascunho das orientações de transição do NIST."

O slide evita uma data prevista, declara a exigência que gera a urgência e nomeia a primeira ação. Os membros do conselho podem contestar qualquer parte, e cada parte aponta para evidências no plano. Um slide seguinte lista o que o conselho vai ouvir a cada trimestre.

19.7 Erros comuns e limites

• Citar uma única data de CRQC como fato.
• Apresentar a QKD como substituta direta da PQC.
• Tratar as datas do rascunho IR 8547 como finais.

As estimativas publicadas de quando um CRQC poderia existir variam muito e mudam à medida que a pesquisa avança, então uma única data dá uma falsa confiança. A QKD precisa de hardware especial e de enlaces dedicados, resolve apenas a distribuição de chaves e ainda precisa de autenticação clássica. As orientações em rascunho estão abertas a comentários e podem mudar antes da publicação. Cada erro faz um plano parecer mais firme do que as evidências permitem, e o plano quebra quando a hipótese quebra.

Exercícios

• EX037 — Mosca. Para os registros dos associados, com x = 10 e y = 3, para quais valores de z a HCU já está atrasada? Rubrica: 3 = z < 13, com raciocínio.
• EX038 — PQC ou QKD. Dê dois motivos pelos quais a HCU deve priorizar a PQC em vez da QKD nos enlaces das agências. Rubrica: 3 = motivos de infraestrutura e de autenticação/orientações.

Síntese

A segurança quântica e pós-quântica pergunta o que os computadores quânticos quebram, o que os substitui e como migrar. A desigualdade de Mosca, variada sobre cronogramas incertos, ordena os dados; as FIPS 203/204/205 fornecem os substitutos.