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Pesquisa doutoral · Capítulo 2 · Português

Capítulo 2 — Segurança quântica e pós-quântica: fronteira da pesquisa

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Capítulo 2 — Segurança quântica e pós-quântica: fronteira da pesquisa

Mapa da aula

Aula 02 publicada. Mapa, exemplo, EX008.

flowchart TD
  N0["2.1 Por que a fronteira é difícil de ver"]
  N1["2.2 Famílias de pesquisa"]
  N2["2.3 O que a padronização resolveu e o que não resolv"]
  N3["2.4 Avaliação: o que torna crível um estudo de inven"]
  N4["2.6 Atividade prática — Laboratório 2: codificar o m"]
  N5["2.7 Uma lacuna falseável"]
  N6["Síntese do capítulo"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> N6
  N6 --> EX["Exemplo resolvido"]
  EX --> Q["Exercício EX008"]

Desenho lógico

flowchart LR
  N0["2.1 Por que a fronteira é difícil de ver"]
  N1["2.2 Famílias de pesquisa"]
  N2["2.3 O que a padronização resolveu e o que não resolv"]
  N3["2.4 Avaliação: o que torna crível um estudo de inven"]
  N4["2.6 Atividade prática — Laboratório 2: codificar o m"]
  N5["2.7 Uma lacuna falseável"]
  N6["Síntese do capítulo"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> N6 --> Q["EX008"]
[2.1 Por que a fronteira é difícil de ver]
    |
    v
[2.2 Famílias de pesquisa]
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    v
[2.3 O que a padronização resolveu e o que não resolv]
    |
    v
[2.4 Avaliação: o que torna crível um estudo de inven]
    |
    v
[2.6 Atividade prática — Laboratório 2: codificar o m]
    |
    v
[2.7 Uma lacuna falseável]
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    v
[Síntese do capítulo]
    |
    v
[Exemplo resolvido] --> [Exercício EX008]

Objetivos de aprendizagem e conexão

Depois deste capítulo, você consegue (1) descrever as seis principais famílias de pesquisa em segurança quântica e pós-quântica e o tipo de evidência que cada uma produz; (2) explicar o que o processo de padronização do NIST resolveu e o que deixou em aberto; (3) avaliar um estudo de PQC quanto à validade de construto, à justiça da linha de base e à independência do corpus; (4) codificar um mapa da literatura e localizar uma célula vazia; e (5) enunciar uma lacuna falseável. Ele parte da escada de alegações do Capítulo 1 e fornece a pergunta que o Capítulo 3 transforma numa contribuição.

2.1 Por que a fronteira é difícil de ver

O campo está dividido entre comunidades que raramente se citam: pesquisadores de algoritmos quânticos que publicam no arXiv, criptógrafos nos eventos da IACR e no arquivo ePrint da IACR, engenheiros de protocolos no IETF e profissionais que escrevem relatórios de fornecedores. O vocabulário difere — "quantum-safe", "resistente à computação quântica", "pós-quântico" e "pronto para PQC" são usados de forma frouxa —, então uma busca por palavras-chave perde metade da literatura. Monte uma tabela de sinônimos antes de buscar e registre a data: neste campo, uma revisão de dois anos atrás pode descrever um esquema quebrado como candidato de destaque.

2.2 Famílias de pesquisa

  1. Criptoanálise quântica e estimativa de recursos. O algoritmo de Shor quebra a fatoração e os logaritmos discretos em tempo polinomial numa máquina tolerante a falhas (Shor 1997); a busca de Grover dá no máximo um ganho quadrático contra chaves simétricas e hashes (Grover 1996), e é por isso que o AES-256 e o SHA-384/512 continuam sendo as escolhas conservadoras, em vez de serem substituídos. A pesquisa atual refina as contagens de qubits e de tempo (Gidney e Ekerå 2021; Gidney 2025). Evidência: análise algorítmica sob modelos de hardware explícitos.
  2. Problemas difíceis e esquemas. Reticulados — o aprendizado com erros (Regev 2009) e as suas variantes em módulos fundamentam o ML-KEM e o ML-DSA; o Falcon (reticulados NTRU) está sendo padronizado como FN-DSA. Hashes — o SLH-DSA (sem estado) e o LMS/XMSS (com estado; RFC 8554, RFC 8391) dependem apenas de propriedades das funções de hash. Códigos — o Classic McEliece descende de McEliece (1978); o HQC foi selecionado em março de 2025 para padronização como um segundo KEM baseado num pressuposto diferente (NIST IR 8545). Multivariados — o Rainbow, finalista da terceira rodada, foi quebrado por um ataque de recuperação de chave (Beullens 2022). Isogenias — o SIKE foi quebrado por um ataque eficiente de recuperação de chave (Castryck e Decru 2022). Evidência: provas, criptoanálise, estimativas de parâmetros.
  3. Normas e políticas. As FIPS 203/204/205 (agosto de 2024), o SP 800-227 sobre o uso de KEMs (setembro de 2025), o plano de transição em rascunho NIST IR 8547 e a orientação sobre agilidade no NIST CSWP 39. Evidência: documentos com situação e histórico.
  4. Protocolos híbridos. Terminologia na RFC 9794; grupos híbridos do TLS 1.3, como o X25519MLKEM768, na RFC 10024. As perguntas de pesquisa dizem respeito à segurança do combinador, ao tamanho das mensagens, à tolerância dos middleboxes e à resistência ao rebaixamento. Evidência: provas, testes de interoperabilidade, medição na internet.
  5. Segurança de implementação. Aritmética em tempo constante, tratamento de falhas de decifração, ataques de falha e canais laterais em implementações de reticulados; vazamentos de tempo por divisão dependente de segredo em várias implementações do Kyber foram relatados como "KyberSlash" (Bernstein et al. 2024). Evidência: medição em laboratório contra versões de código nomeadas.
  6. Inventário e agilidade. Como as organizações descobrem onde a criptografia é usada, montam uma lista de materiais criptográficos (CBOM) e tornam os algoritmos substituíveis. Evidência: estudos de caso, benchmarks, medições de campo — a família metodologicamente menos madura, como mostra o Laboratório 2.

2.3 O que a padronização resolveu e o que não resolveu

O processo do NIST resolveu um portfólio: um KEM de uso geral (ML-KEM), uma assinatura de reticulados (ML-DSA), uma assinatura conservadora baseada em hash (SLH-DSA), com o Falcon e o HQC a seguir (o NIST IR 8413 explica as seleções da terceira rodada). Não resolveu a implantação: como os segredos híbridos devem ser combinados em cada protocolo, como os certificados devem transportar chaves novas ou compostas, como os dispositivos restritos devem lidar com assinaturas ML-DSA de 2.420 a 4.627 bytes (conjuntos de parâmetros da FIPS 204) ou como uma organização pode mostrar que encontrou todo uso vulnerável à computação quântica. As quebras do Rainbow e do SIKE no fim do processo são o lembrete permanente do campo de que a confiança num problema difícil se conquista ao longo de anos, e esse é o argumento científico a favor da implantação híbrida e da agilidade.

2.4 Avaliação: o que torna crível um estudo de inventário ou de migração para PQC

Faça cinco perguntas. Validade de construto: "uso vulnerável" significa um algoritmo presente no código, configurado, negociado ou protegendo dados com longo tempo de vida? Verdade de referência: quem a adjudicou, sem saber qual método estava em teste? Justiça da linha de base: a ferramenta rival foi configurada por alguém competente, com o mesmo acesso? Independência do corpus: o método foi ajustado no mesmo corpus em que foi avaliado, ou validado numa segunda organização? Desconhecidos: os ativos inalcançáveis são relatados? Um estudo pode ser útil mesmo falhando em algumas dessas perguntas, mas as suas alegações precisam encolher na mesma medida.

2.5 Exemplo resolvido: avaliar os estudos sintéticos Q1–Q8

Q1 e Q6 são estudos de caso de um único hospital que relatam "94% do uso de RSA encontrado" contra uma verdade de referência produzida pela mesma ferramenta — circular. Q2 e Q8 fazem benchmarks de scanners num corpus publicado por um dos fornecedores — independência "mesmo fornecedor". Q3 mede a negociação de grupos híbridos num grande conjunto de sites públicos, com método documentado, e é independente. Q4 faz benchmarks de handshakes híbridos em laboratório, sem replicação externa. Q5 reproduz um vazamento de tempo em dois laboratórios independentes. Q7 é um artigo de posição sobre agilidade, sem dados. Codificá-los (Laboratório 2) mostra que o inventário — a família de que um programa de migração mais depende — não tem nenhum estudo validado num corpus independente. Essa célula vazia vira a lacuna do Ciphertrail.

2.6 Atividade prática — Laboratório 2: codificar o mapa

# Lab 2 (synthetic): code eight fictional studies Q1-Q8 and find empty cells.
studies = {  # id: (family, evidence type, corpus independence)
    "Q1": ("inventory", "single-org case", "none"),
    "Q2": ("inventory", "benchmark", "same-vendor"),
    "Q3": ("hybrid-protocol", "internet measurement", "independent"),
    "Q4": ("hybrid-protocol", "lab benchmark", "none"),
    "Q5": ("implementation", "side-channel lab", "independent"),
    "Q6": ("inventory", "single-org case", "none"),
    "Q7": ("agility", "position paper", "none"),
    "Q8": ("inventory", "benchmark", "same-vendor"),
}
families = sorted({f for f, _, _ in studies.values()})
indep = ["none", "same-vendor", "independent"]
print(f"{'family':16s}" + "".join(f"{i:>13s}" for i in indep))
for fam in families:
    row = [sum(1 for f, _, c in studies.values() if f == fam and c == i) for i in indep]
    print(f"{fam:16s}" + "".join(f"{n:13d}" for n in row))
gaps = [fam for fam in families
        if not any(f == fam and c == "independent" for f, _, c in studies.values())]
print("families with no independently validated study:", ", ".join(gaps))

Saída esperada:

family                   none  same-vendor  independent
agility                     1            0            0
hybrid-protocol             1            0            1
implementation              0            0            1
inventory                   2            2            0
families with no independently validated study: agility, inventory

Estenda o esquema de codificação com uma quarta coluna, "verdade de referência independente da ferramenta", e execute de novo; uma lacuna que sobrevive a duas codificações é mais defensável do que uma que aparece num único esquema.

A tabela torna a lacuna visível num relance: quatro estudos de inventário, nenhum validado num corpus independente. A codificação só é tão boa quanto as suas regras, então escreva o que conta como mesmo fornecedor ou independente antes de codificar e peça a uma segunda pessoa que codifique os oito estudos separadamente. Se o segundo codificador passar um estudo para a coluna independente, o enunciado da lacuna precisa mudar antes de entrar na proposta.

2.7 Uma lacuna falseável

Uma lacuna não é "ninguém estudou inventários de PQC". É uma ausência específica e testável: nenhum método de inventário publicado relata a revocação dos usos de estabelecimento de chaves e de assinaturas vulneráveis à computação quântica em relação a uma adjudicação cega num corpus independente do seu corpus de desenvolvimento, com a participação desconhecida relatada. O enunciado é falseável — um único contraexemplo na literatura o fecharia — e nomeia as medições que uma contribuição precisa fazer.

Verifique a lacuna de novo contra a literatura pouco antes da submissão, porque um contraexemplo publicado durante a tese a fecharia. Registre a data e a busca usadas nessa verificação final. Se aparecer um estudo que preencha a lacuna em parte, a contribuição ainda pode se sustentar, mas precisa ser reposicionada como replicação ou extensão, e não como primeira medição.

2.8 Erros comuns e limites

Exercícios — capítulo 2

Rubrica de 0 a 3, como no Capítulo 1.

Síntese do capítulo

A fronteira abrange seis famílias com culturas de evidência diferentes. A padronização resolveu um portfólio de algoritmos, não a sua implantação. O inventário e a agilidade — as famílias de que as migrações mais dependem — têm as evidências mais fracas, e uma lacuna falseável ali é uma contribuição de doutorado legítima.

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