Implementation and Evaluation of a Dilithium-Based Post-Quantum Blockchain Prototype

डिजिटल दुनिया हमारे पैसे, वोटों और रहस्यों को सुरक्षित रखने के लिए ताले और चाबियों की एक प्रणाली पर निर्भर करती है। दशकों तक, ये ताले ऐसी गणितीय पहेलियों पर आधारित थे जिन्हें हल करना मनुष्यों के लिए आसान था लेकिन सबसे शक्तिशाली कंप्यूटरों के लिए भी उन्हें तोड़ना लगभग असंभव था। हालाँकि, वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता था कि एक नए प्रकार का कंप्यूटर, जो क्वांटम भौतिकी के अजीब नियमों का उपयोग करता है, अंततः इन तालों को सेकंडों में तोड़ सकता है। इस भविष्य के लिए तैयार होने के लिए, शोधकर्ता अलग-अलग गणितीय चुनौतियों पर आधारित नए तालों को डिजाइन कर रहे हैं जिन्हें क्वांटम कंप्यूटर भी हल नहीं कर सकते। इस प्रक्रिया को पोस्ट-क्वांटम क्रिप्टोग्राफी कहा जाता है। लेकिन केवल ताले को बदलना ही काफी नहीं है। एक ताला उतना ही अच्छा होता है जितना कि वह दरवाजा जिस पर वह लगा है, उसे थामने वाले कब्जे, और वे लोग जो यह तय करते हैं कि इसे कब खोलना है। यदि दरवाजे का फ्रेम कमजोर है या लोग भ्रमित हैं, तो दुनिया का सबसे मजबूत ताला भी किसी को सुरक्षित नहीं रख पाएगा।

मिस्र विश्वविद्यालय फॉर साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया कि एक डिजिटल लेजर, जिसे अक्सर ब्लॉकचेन कहा जाता है, का एक कामकाजी मॉडल बनाया जाए, जिसका उपयोग वोटों और लेनदेन को रिकॉर्ड करने के लिए किया जाता है। उन्होंने एक प्रोटोटाइप से शुरुआत की जिसमें एक नए क्वांटम-प्रतिरोधी ताले के शुरुआती संस्करण का उपयोग किया गया था और फिर इसे आधिकारिक रूप से मानकीकृत संस्करण से बदल दिया। उनका लक्ष्य केवल यह देखना नहीं था कि नया ताला काम करता है या नहीं, बल्कि यह देखना था कि जब परिवर्तन किया जाता है तो पूरा सिस्टम कैसे व्यवहार करता है। वे देखना चाहते थे कि क्या मशीन का बाकी हिस्सा—वे भाग जो पहचान की जांच करते हैं, वोटों की गिनती करते हैं, और डेटा संग्रहीत करते हैं—बिना टूटे इस संक्रमण को संभाल सकता है। उन्होंने पाया कि नया ताला पुराने वाले की तरह ही लगभग समान प्रदर्शन करता था, लेकिन असली समस्याएं सॉफ्टवेयर के कोनों में छिपी थीं, इस बात में कि डेटा कैसे लिखा जाता है, और सिस्टम के विभिन्न हिस्से एक-दूसरे से कैसे बात करते हैं।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले नए ताले, जिसे ML-DSA-44 के रूप में जाना जाता है, की कच्ची गति को पुराने संस्करण के मुकाबले मापना शुरू किया जिसका वे उपयोग कर रहे थे। उन्होंने यह देखने के लिए हजारों परीक्षण किए कि सिस्टम एक संदेश पर हस्ताक्षर करने और यह सत्यापित करने में कितना तेज है कि हस्ताक्षर वास्तविक है। परिणामों ने दिखाया कि नया ताला कोई नाटकीय सुधार या आपदा नहीं था; यह लगभग पांच से आठ प्रतिशत धीमा था, लेकिन अंतर इतना छोटा था कि इससे वास्तविक दुनिया के सिस्टम की गति धीमी नहीं होगी। यह एक राहत की बात थी, क्योंकि इसका मतलब था कि मुख्य क्रिप्टोग्राफिक परिवर्तन प्रबंधनीय था। हालाँकि, टीम को जल्द ही एहसास हुआ कि ताले की गति कहानी का सबसे कम दिलचस्प हिस्सा है। अधिक महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह देखने से आए कि सिस्टम उन संदेशों को कैसे संभालता है जो ताले से गुजरते हैं।

उनके मॉडल में, सिस्टम को एक निर्णय को अंतिम रूप देने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जैसे कि वोटों के ब्लॉक को मंजूरी देना, जब वैलिडेटर्स (प्रमाणकों) के एक समूह से एक निश्चित मात्रा में विश्वास एकत्र हो जाता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ अस्सी प्रतिशत विश्वसनीय वैलिडेटर्स ने एक ब्लॉक को मंजूरी देने के लिए सहमति व्यक्त की जो वास्तव में टूटा हुआ और अमान्य था। क्योंकि सिस्टम हस्ताक्षरों पर भरोसा करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, इसने अनुमोदन को स्वीकार कर लिया और खराब ब्लॉक को अंतिम रूप दे दिया। यह हर एक परीक्षण में हुआ जो उन्होंने बीस हजार बार चलाए। हस्ताक्षर गणितीय रूप से पूर्ण थे, जो साबित करते थे कि वैलिडेटर्स ने वास्तव में संदेश भेजा था, लेकिन सिस्टम यह जांचने में विफल रहा कि क्या संदेश स्वयं तर्कसंगत था। यह एक सुरक्षा गार्ड की तरह था जो आगंतुक के आईडी कार्ड की पूरी तरह से जांच करता है लेकिन यह ध्यान देने में विफल रहता है कि आगंतुक उस कमरे में प्रवेश करने की कोशिश कर रहा है जहाँ उसका कोई अधिकार नहीं है। ताला काम कर रहा था, लेकिन दरवाजा खोलने का नियम त्रुटिपूर्ण था।

टीम ने एक और सूक्ष्म लेकिन खतरनाक त्रुटि की भी खोज की कि कैसे सिस्टम यह जांचता है कि संदेश कौन भेज रहा है। पुराने कोड के एक हिस्से में, सिस्टम संदेश भेजने वाले से पूछता था, "आप कौन हैं?" और फिर उस उत्तर का उपयोग हस्ताक्षर को सत्यापित करने के लिए सही कुंजी खोजने हेतु करता था। सिस्टम कभी यह जांच नहीं करता था कि व्यक्ति द्वारा दिया गया नाम वास्तव में उस सीलबंद संदेश के भीतर लिखे गए नाम से मेल खाता है या नहीं जिसे उसने भेजा है। एक नियंत्रित परीक्षण में, शोधकर्ताओं ने बीस हजार संदेश भेजे जहाँ भेजने वाले ने एक व्यक्ति होने का दावा किया लेकिन संदेश इस तरह से हस्ताक्षिरित किया गया जैसे कि वह किसी और की ओर से आया हो। पुराने सिस्टम ने उन सभी को स्वीकार कर लिया। यह तभी हुआ जब शोधकर्ताओं ने दोनों नामों की तुलना करने के लिए एक सरल जांच जोड़ी और सिस्टम ने बेमेल संदेशों को अस्वीकार करना शुरू कर दिया। इससे पता चला कि एक सिस्टम गणितीय रूप से सुरक्षित हो सकता है लेकिन फिर भी असुरक्षित हो सकता है यदि वह अपने निर्णय लेने के लिए गलत जानकारी पर भरोसा करता है।

एक अन्य प्रमुख खोज डिजिटल रिकॉर्ड को लिखने के तरीकों से जुड़ी थी। शोधकर्ताओं ने डिजिटल रिकॉर्ड को लिखने के तीन अलग-अलग तरीकों की तुलना की। एक विधि ने एक सामान्य टेक्स्ट प्रारूप का उपयोग किया जो बाइनरी डेटा को अक्षरों और संख्याओं की लंबी स्ट्रिंग्स में बदल देता है, जिससे फाइलें बहुत बड़ी हो जाती हैं। दूसरी विधि ने अधिक कुशल प्रारूप का उपयोग किया लेकिन उसी लंबी स्ट्रिंग को बनाए रखा। तीसरी विधि ने कुशल प्रारूप का उपयोग किया लेकिन डेटा को रॉ बाइट्स (raw bytes) के रूप में संग्रहीत किया, जैसा कि एक कंप्यूटर स्वाभाविक रूप से देखता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे: रॉ बाइट प्रारूप में स्विच करने से रिकॉर्ड का आकार टेक्स्ट-भारी संस्करण की तुलना में लगभग आधा हो गया। इसका मतलब था कि नए तरीके का उपयोग करने वाले सिस्टम को काफी कम स्टोरेज स्पेस की आवश्यकता होगी और वह डेटा तेजी से स्थानांतरित कर सकेगा, इसलिए नहीं कि ताला बेहतर था, बल्कि इसलिए क्योंकि डेटा को पैक करने का तरीका अधिक स्मार्ट था।

अंत में, टीम ने यह परीक्षण किया कि जब नेटवर्क के विभिन्न भाग अलग-अलग कंप्यूटर प्रक्रियाओं पर चल रहे हों, तो सिस्टम कैसा व्यवहार करता है, जो एक वास्तविक वितरित नेटवर्क का अनुकरण करता है। उन्होंने नेटवर्क में संदेश यात्रा करने में लगने वाले समय की नकल करने के लिए छोटे विलंब (delays) पेश किए। एक विशिष्ट परीक्षण में, एक संदेश सिस्टम द्वारा निर्णय लिए जाने के ठीक एक अंश सेकंड बाद पहुँचा। सिस्टम ने संदेश को देरी से आया मानकर सही ढंग से चिह्नित किया, लेकिन फिर भी इसे अंतिम परिणाम में गिना गया। इसने एक 'रेस कंडीशन' (race condition) पैदा की जहाँ नेटवर्क के सटीक समय के आधार पर परिणाम बदल सकता था। शोधकर्ताओं ने इस लॉजिक को ठीक किया और परीक्षणों को फिर से चलाया, जिससे पुष्टि हुई कि सिस्टम अब देर से आए संदेशों को सही ढंग से अनदेखा करेगा। इसने इस बात पर प्रकाश डाला कि भले ही क्रिप्टोग्राफी पूर्ण हो, लेकिन सिस्टम के सुनने को रोकने के समय का प्रबंधन करना उतना ही महत्वपूर्ण हो सकता है जितना कि संदेशों की सुरक्षा।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि क्वांटम-प्रतिरोधी भविष्य की ओर बढ़ना केवल एक गणितीय एल्गोरिदम को बदलने के बारे में नहीं है। यह एक जटिल यात्रा है जिसके लिए सिस्टम के प्रत्येक स्तर की जांच करने की आवश्यकता है, डेटा लिखने के तरीके से लेकर उन नियमों तक जो निर्णय लेने को नियंत्रित करते हैं। नया ताला अच्छा प्रदर्शन करता है, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि वास्तविक जोखिम एप्लिकेशन लॉजिक, पहचान की जांच और सिस्टम के विभिन्न हिस्सों के बीच समन्वय में थे। इस प्रोटोटाइप के लिए, माइग्रेशन की सफलता केवल नए सिग्नेचर स्कीम के प्रदर्शन पर ही नहीं, बल्कि इन आसपास के मुद्दों को ठीक करने पर भी उतनी ही निर्भर थी। यह कार्य एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि डिजिटल दुनिया में, एक मजबूत ताला केवल एक सुरक्षित दरवाजे का एक हिस्सा है, और बाकी फ्रेम का भी उतना ही मजबूत होना आवश्यक है।