Hybrid quantum-safe cryptographic scheme with secure key exchange and signature

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, with the rapid progress of quantum computing, experts have been very concerned about the future security of systems, especially because many classical cryptographic algorithms are now considered not safe enough. Hybrid cryptographic protocol was proposed by integrating quantum-safe algorithms (Kyber and Dilithium) together with a classical ECDSA-based signature scheme to verify secure proof on blockchain. Since quantum computers pose some loopholes in existing cryptography algorithms, the proposed mechanism addresses those vulnerabilities by maintaining compatibility with the existing infrastructure. The protocol integrates post-quantum key exchange to derive shared secrets securely. The shared secrets are used to enable hybrid encryption for efficient data 1 The author of this thesis is a Global Korea Scholarship scholar sponsored by the Korean Government protection. Additionally, the implementation uses a dual-signature approach, using quantum safe and classical signatures. These signatures are combined to ensure robust and tamper-resistant proof verification. The deployed solution validates its feasibility and efficiency for smart contract-based verification. The protocol maintains backward compatibility with existing systems while providing strong resistance to quantum attacks. Benchmark results demonstrate the system’s scalability and robustness under high transaction loads, with efficient gas usage for on-chain proof validation. This approach paves the way for post-quantum secure applications, including verifiable proofs, secure key exchanges, and decentralized systems resilient to quantum adversaries.

key word: Quantum-resistant Cryptography, Hybrid encryption, Blockchain, Smart contract, Merkle root

국문 초록 (Abstract)

최근 몇 년 동안 양자 컴퓨팅의 급속한 발전으로 전문가들은 시스템의 미래 보안에 대해 큰 우려를 표해 왔다. 그 이유는 많은 기존 암호 알고리즘이 충분히 안전하지 않다고 여겨지기 때문이다. 본 연구에서는 양자 안전 방식과 기존 방식을 결합한 하이브리드 암호 프로토콜을 설계하여 이 문제를 해결하는 것을 시도하였다. 구체적으로, 양자 이후 키 캡슐화 메커니즘인 카이버(Kyber)와 양자 안전 서명 알고리즘인 다이리디움(Dilithium)을 블록체인에서 이미 널리 사용되는 잘 알려진 ECDSA 서명 체계와 통합하였다. 본 논문의 핵심 아이디어는 양자 컴퓨터가 실질적인 위협이 되는 현재와 미래 모두에서 안전하게 동작할 수 있는 프로토콜을 만드는 것이다. 제안된 프로토콜은 카이버를 사용하여 양자 이후 키 교환을 수행하는 것으로 시작한다. 따라서 기존 키 교환에만 의존하는 대신, 카이버를 사용하여 통신 당사자 간에 공유 비밀을 구축함으로써 전체 프로세스를 양자 공격으로부터 더욱 안전하게 보호한다. 이렇게 도출된 공유 비밀은 하이브리드 암호화 체계의 기반으로 사용된다. 여기서는 기존 AES 암호화가 양자 키 교환(PKK)과 결합되어 보안을 강화할 뿐만 아니라 효율적인 성능을 유지한다. 블록체인 환경, 특히 스마트 컨트랙트는 연산 비용과 가스 요금에 상당히 민감하기 때문에 처음에는 알고리즘의 효율성이 가장 큰 우려 사항이었지만, 구현 과정에서 하이브리드 방식이 큰 오버헤드를 발생시키지 않고 전송된 데이터에 대한 강력한 보호 기능을 제공하는 것으로 확인되었다.
이 프로토콜에서는 모든 트랜잭션 또는 메시지에 양자 안전성을 위한 Dilithium과 하위 호환성을 위한 ECDSA를 모두 사용하여 서명한다. 두 서명이 결합된 후 스마트 컨트랙트를 통해 온체인에서 검증되며, 디버깅과 테스트를 거쳐 제안한 알고리즘이 상당히 안정적으로 작동하는 것을 확인하였다. 이러한 경험을 통해 두 서명을 모두 사용하는 것은 변조를 방지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 양자 컴퓨터가 ECDSA만으로는 해독할 수 없을 만큼 강력해지더라도 시스템의 미래를 보장하고 검증 가능성을 높여준다. 이 프로토콜의 실용성을 확인하기 위해 시뮬레이션된 스마트 계약 환경에 배포하고 일련의 벤치마크 테스트를 진행하였다. 프로토콜은 많은 수의 트랜잭션에서도 잘 작동했으며, 증명 검증을 위한 가스 사용량도 적정 수준으로 유지되었다. 이는 특히 보안과 호환성이 중요한 실제 분산 애플리케이션에 이 접근 방식이 적용될 수 있다는 것을 의미한다.

주요어: 양자 저항 암호화, 하이브리드 암호화, 블록체인, 스마트 계약, 머클 루트

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1Scope of the Study 2
• 1.2 Objective of the Study 3
• 1.3 Main Contributions of the Study 4
• II. Background and Literature Review 5
• 2.1 Cryptography Overview 5
• 2.1.1. History of Cryptography 5
• 2.1.2. Introduction to Cryptography 8
• 2.1.3. Symmetric Cryptography 11
• 2.1.3.1. Block Ciphers 12
• 2.1.3.2. Stream Ciphers 14
• 2.1.4. Asymmetric Cryptography 16
• 2.1.5. Hash Functions 18
• 2.1.6. Modern Cryptography 19
• 2.2 Post-Quantum Cryptography 21
• 2.2.1. Overview of Quantum Computing 21
• 2.2.2. Existing Literature on Post-Quantum Cryptographic Algorithms 25
• 2.2.3. The Need for More Research on Post-Quantum Cryptography 27
• 2.3 Symmetric Encryption using AES 28
• 2.3.1. Advanced Encryption Standard (AES) 28
• 2.3.2. AES Operations 30
• 2.3.3. Reasons for Wide Adoption of AES in Data Encryption 37
• 2.3.4. Strengths and Vulnerabilities of AES 38
• 2.4 Kyber1024 for Key Encapsulation 41
• 2.4.1. Lattice-Based Cryptography and Resistance to Quantum Attacks 41
• 2.4.2. Introduction of Kyber1024 as Secure Key Encapsulation Mechanism 43
• 2.4.3. Kyber1024 Performance, Security, and Challenges 45
• 2.5 Dilithium5 for Digital Signatures 48
• 2.5.1. Need for Digital Signatures in Data Authentication and Integrity 48
• 2.5.2. Lattice-based Digital Signatures and Quantum Resistance of Dilithium5 50
• 2.5.3. NIST Selection Process for Dilithium5 as Post-Quantum Standard 52
• 2.6 Blockchain Technology and Smart Contracts 55
• 2.6.1. Overview of Blockchain Technology 55
• 2.6.2. Introduction to Smart Contracts 56
• 2.6.3. Ethereum Smart Contracts and Secure Data Storage 58
• 2.6.3.1. How Ethereum Smart Contracts Work 58
• 2.6.4. Applications in Secure Data Storage 59
• III. Design and Architecture 62
• 3.1 System Architecture 64
• 3.1.1. Overview 64
• 3.1.2. Data Flow 67
• 3.1.3. Algorithm 69
• 3.1.3.1. AES Operations and Data Confidentiality 69
• 3.1.3.2. Kyber1024 for Key Encapsulation 70
• 3.1.3.3. Dilithium5 for Digital Signatures 72
• 3.1.3.4. Integration and Mutual Mitigation of Weaknesses 73
• 3.1.3.5. Smart Contract Design 75
• IV. Implementation 77
• 4.1 Development Environment 77
• 4.2 Algorithm Walkthrough 79
• 4.2.1. Loading Environment Variables and Connecting to Web3 79
• 4.2.2. Implementation of Kyber and Dilithium Functions 80
• 4.2.3. Transaction Creation and Submission to Blockchain 81
• 4.2.4. Smart Contract Deployment 82
• 4.2.4.1. Deploying the Contract on Ganache 82
• 4.2.4.2. Interaction Between Smart Contract and Client 83
• V. Security Analysis 87
• 5.1 Threat Model 87
• 5.2 Security Evaluation of Core Algorithms 88
• 5.2.1. Advanced Encryption Standard (AES) 88
• 5.2.2. Kyber1024 Key Encapsulation Mechanism 89
• 5.2.3. Dilithium5 Digital Signature Scheme 90
• 5.3 Hybrid Model Security Analysis 93
• VI. Performance Evaluation 99
• 6.1 Testing Environment and Setup 99
• 6.2 Execution Time and Efficiency 100
• 6.2.1. Encryption and Decryption Timing 100
• 6.2.2. Key Exchange Performance 102
• 6.2.3. Signing and Verification Performance 104
• 6.2.4. Gas Costs and Blockchain Considerations 106
• VII. Applications and Use Cases 108
• 7.1 Quantum-Safe Hybrid Encryption in Blockchain 108
• 7.2 Current Implementations and Industry Adoption 115
• VIII. Future Work 118
• 8.1 Improvements in Efficiency 118
• 8.2 Expanding to Other Quantum-Safe Algorithms 121
• 8.3 Blockchain Interoperability 123
• 8.4 Advanced Security Directions 124
• IX. Conclusion 126
• X. References 131
• 국문초록 136
• XI. Acknowledgement 138