So soll das Lightning Netzwerk gegen Quantencomputer geschützt werden

Die Frage nach der Gefahr durch Quantencomputer beschäftigt die Bitcoin-Community immer wieder, manche Stimmen sehen darin eine große Bedrohung. Bislang ist allerdings kein Quantencomputer bekannt oder in Sicht, der die bei Bitcoin verwendeten Signaturen brechen kann. Ob und wann sich das ändert, ist offen. Trotzdem wäre es wenig sinnvoll, mit der Suche nach Lösungen erst dann anzufangen, wenn ein solcher Angriff tatsächlich möglich wird.

Inzwischen bleibt es bei den Gegenmaßnahmen auch nicht mehr nur bei Überlegungen. Mit SHRINCS liegt ein konkreter Entwurf für quantenresistente Bitcoin-Signaturen vor. Nun hat ein Forschungsteam mit PQLN einen Prototyp für das Lightning-Netzwerk vorgestellt. Die Vorbereitungen betreffen also auch die Anwendungen rund um Bitcoin und nicht allein dessen Hauptnetzwerk.

Das Forschungsteam um Ahmet Kurt von der East Texas A&M University hat die Lightning-Software rust-lightning so erweitert, dass sie zusätzliche, gegen Quantenangriffe ausgelegte Kryptografie verwendet. Seinen Ansatz PQLN hat das Team bereits mit laufenden Lightning-Nodes getestet.

Die erste Beschäftigung mit dem Thema ist das allerdings nicht. Bereits im Mai beschrieb Lightning-Entwickler Olaoluwa Osuntokun mögliche Anpassungen für die verschiedenen Teile des Lightning-Protokolls. Auch zu quantenresistenten Zahlungskanälen gibt es ältere Forschungsarbeiten. Jedoch legen die PQLN-Autoren erstmals einen Entwurf samt Implementierung und Auswertung für den Schutz der Lightning-Kommunikation außerhalb der Blockchain vor.

Damit gibt es Software und praktische Tests, anhand derer sich der zusätzliche Aufwand und mögliche Probleme untersuchen lassen.

Lightning ermöglicht Bitcoin-Zahlungen, ohne jede einzelne Zahlung auf der Blockchain festhalten zu müssen. Die beteiligten Lightning-Nodes müssen dafür miteinander kommunizieren, Zahlungsanforderungen prüfen und Zahlungen weiterleiten. Auch dabei verwenden sie Kryptografie, die ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer angreifen könnte.

PQLN ergänzt die bisherigen Verfahren um die Post-Quanten-Standards ML-DSA und ML-KEM. ML-DSA dient dabei zur Prüfung signierter Nachrichten, etwa Zahlungsanforderungen. ML-KEM hilft den beteiligten Lightning-Nodes, gemeinsame Geheimnisse für die verschlüsselte Kommunikation zu vereinbaren. Die restliche Kryptografie bleibt erhalten und wird durch die neuen Verfahren ergänzt.

Das Team geht davon aus, dass nicht alle Node-Betreiber gleichzeitig ihre Software wechseln, sondern die Umstellung Schritt für Schritt erfolgt. In den praktischen Tests konnten die erweiterten Nodes auch mit unveränderten rust-lightning-Nodes zusammenarbeiten. Diese Kompatibilität bedeutet allerdings nicht, dass die älteren Nodes dadurch ebenfalls quantenresistent werden. Für eine geschützte Zahlungsroute müssen alle beteiligten Stationen, also Sender-, Empfänger- und Routing-Nodes, die zusätzliche Absicherung unterstützen. Außerdem müssen die benötigten öffentlichen Post-Quanten-Schlüssel bereits vertrauenswürdig bekannt sein.

So eine Umstellung ist bei Bitcoin und auch im Lightning-Netzwerk aufwendig. Quantenresistente Signaturen benötigen meist deutlich mehr Platz als die heute verwendeten. Bei Bitcoin betrifft das den begrenzten Platz in den Blöcken, bei Lightning unter anderem die Datenmenge, die Nodes untereinander austauschen müssen.

Wie groß der Unterschied sein kann, zeigt eine Messung des PQLN-Teams. Bei der anfänglichen Synchronisierung des Netzwerkgraphen wuchs die übertragene Gossip-Datenmenge mit ML-DSA ungefähr auf das Zehnfache. Gemeint sind dabei die Informationen, mit denen sich Nodes über das Netzwerk austauschen, nicht pauschal der gesamte Zahlungsverkehr. Solche Tests machen sichtbar, welche Kosten eine Umstellung auf Quantenresistenz im Vergleich zu dem erhofften Sicherheitsgewinn hätte.

Noch ist PQLN ausdrücklich Forschungssoftware. Die Veröffentlichung ist also noch kein Update für den alltäglichen Einsatz, liefert aber Code und Messergebnisse, an denen andere Entwickler weiterarbeiten können.