С развитием квантовых компьютеров существующие алгоритмы шифрования (RSA, ECC) станут уязвимы. Мы реализуем квантово-устойчивый алгоритм CRYSTALS-Kyber (на основе решеток) на ATmega328P!

Реализация Kyber-512 (упрощенная версия):

cpp

#include <avr/random.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define KYBER_N 256   // Размерность решетки
#define KYBER_Q 3329  // Модуль
#define KYBER_K 2     // Параметр безопасности

// Полином (коэффициенты по модулю Q)
struct Poly {
    int16_t coeffs[KYBER_N];
};

// Матрица полиномов
struct PolyMatrix {
    Poly rows[KYBER_K];
    Poly cols[KYBER_K];
};

// Генерация случайного полинома
void randomPoly(Poly* p) {
    for (uint8_t i = 0; i < KYBER_N; i++) {
        p->coeffs[i] = random(KYBER_Q);
    }
}

// Умножение полиномов (быстрое преобразование НТТ)
void polyMul(Poly* a, Poly* b, Poly* result) {
    // Упрощенная версия (без NTT для экономии RAM)
    for (uint8_t i = 0; i < KYBER_N; i++) {
        int32_t sum = 0;
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_N; j++) {
            sum += (int32_t)a->coeffs[j] * b->coeffs[(i - j + KYBER_N) % KYBER_N];
        }
        result->coeffs[i] = sum % KYBER_Q;
    }
}

// Генерация ключевой пары Kyber
struct KyberKeyPair {
    PolyMatrix publicKey;
    PolyMatrix privateKey;
};

void kyberKeyGen(KyberKeyPair* keys) {
    // Шаг 1: Генерация матрицы A (публичная)
    PolyMatrix A;
    for (uint8_t i = 0; i < KYBER_K; i++) {
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_K; j++) {
            randomPoly(&A.rows[i]);
        }
    }
    
    // Шаг 2: Генерация секретной матрицы S
    PolyMatrix S;
    for (uint8_t i = 0; i < KYBER_K; i++) {
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_K; j++) {
            // Секретные коэффициенты: -1, 0, 1
            S.rows[i].coeffs[j] = random(-1, 2);
        }
    }
    
    // Шаг 3: Вычисление публичной матрицы B = A * S + E
    PolyMatrix B;
    for (uint8_t i = 0; i < KYBER_K; i++) {
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_K; j++) {
            // B = A * S (упрощенно)
            Poly temp;
            polyMul(&A.rows[i], &S.rows[j], &temp);
            B.rows[i].coeffs[j] = (temp.coeffs[0] + random(-2, 3)) % KYBER_Q;
        }
    }
    
    // Сохраняем ключи
    keys->publicKey = B;
    keys->privateKey = S;
}

// Шифрование сообщения (байт в полином)
void kyberEncrypt(uint8_t* message, uint8_t len, PolyMatrix* publicKey, PolyMatrix* ciphertext) {
    // Генерация случайного полинома r (для маскировки)
    Poly r;
    randomPoly(&r);
    
    // Шифруем каждый байт
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        Poly m;
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_N; j++) {
            m.coeffs[j] = (message[i] >> (j % 8)) & 1;
        }
        
        // c = publicKey * r + m
        Poly temp;
        polyMul(&publicKey->rows[0], &r, &temp);
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_N; j++) {
            ciphertext->rows[i].coeffs[j] = (temp.coeffs[j] + m.coeffs[j]) % KYBER_Q;
        }
    }
}

// Дешифрование
void kyberDecrypt(PolyMatrix* ciphertext, PolyMatrix* privateKey, uint8_t* message, uint8_t len) {
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        // m = ciphertext - privateKey * r
        Poly temp;
        polyMul(&privateKey->rows[0], &ciphertext->rows[i], &temp);
        
        uint8_t byte = 0;
        for (uint8_t j = 0; j < KYBER_N; j++) {
            int16_t bit = (temp.coeffs[j] - ciphertext->rows[i].coeffs[j]) % KYBER_Q;
            if (abs(bit) > KYBER_Q / 2) {
                byte |= (1 << (j % 8));
            }
        }
        message[i] = byte;
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    randomSeed(analogRead(A0));
    
    // Генерация ключей
    KyberKeyPair keys;
    kyberKeyGen(&keys);
    
    // Сообщение
    uint8_t message[] = "ARDUINOHACKS QUANTUM SECURE!";
    uint8_t encrypted[32];
    uint8_t decrypted[32];
    
    // Шифрование
    PolyMatrix ciphertext;
    kyberEncrypt(message, sizeof(message), &keys.publicKey, &ciphertext);
    
    // Дешифрование
    kyberDecrypt(&ciphertext, &keys.privateKey, decrypted, sizeof(message));
    
    Serial.print("Оригинал: ");
    Serial.println((char*)message);
    Serial.print("Дешифровано: ");
    Serial.println((char*)decrypted);
}

void loop() {}