Apa yang Perlu Diubah Solana agar Siap Menghadapi Komputasi Kuantum?

Pengantar Singkat tentang Komputasi Kuantum

Komputasi kuantum adalah paradigma komputasi yang berbeda dari model klasik berbasis logika biner. Alih-alih memproses informasi hanya sebagai nol dan satu, komputer kuantum beroperasi dengan qubit, yaitu sistem fisik yang mengikuti aturan mekanika kuantum. Sebuah qubit dapat berada dalam beberapa keadaan secara bersamaan (sifat yang dikenal sebagai superposisi), sehingga prosesor kuantum dapat mengeksplorasi banyak kemungkinan solusi secara paralel.

Arti penting komputasi kuantum bukanlah kemampuannya mempercepat semua komputasi, melainkan mempercepat masalah-masalah yang sangat spesifik. Terlepas dari kekuatan teoretisnya, perangkat kuantum saat ini masih jauh dari mampu menjalankan algoritma tersebut pada skala yang berarti. 

Tidak ada yang tahu kapan, atau bahkan apakah, komputer kuantum akan mencapai skala yang diperlukan untuk mengancam kriptografi kunci publik modern. Untuk membobol skema seperti Ed25519, komputer kuantum memerlukan ratusan ribu hingga jutaan qubit yang stabil, koreksi kesalahan berkualitas sangat tinggi, serta waktu koherensi yang cukup panjang untuk menjalankan sirkuit kuantum mendalam seperti algoritma Shor. Saat ini, mesin semacam itu masih sepenuhnya teoretis. Prosesor kuantum yang ada beroperasi dengan qubit fisik yang berisik dan berumur pendek, dengan tingkat kesalahan yang terlalu tinggi untuk upaya pembobolan kriptografi yang berarti. Perangkat tercanggih hanya menyediakan sekitar ratusan hingga beberapa ribu qubit fisik—bukan qubit logis—dan fidelitas gerbang serta karakteristik koherensinya masih beberapa tingkat magnitudo di bawah kebutuhan untuk serangan praktis.

Meski demikian, potensi dampak jangka panjang komputasi kuantum cukup signifikan sehingga sistem yang sangat bergantung pada keamanan (termasuk blockchain) harus mempertimbangkan apa saja yang diperlukan untuk beralih ke primitif pascakuantum.

Serangan Kuantum

Kriptografi modern bergantung pada asumsi tingkat kesulitan yang tidak dapat dipecahkan secara efisien oleh komputer klasik. Komputer kuantum menghadirkan dua algoritma utama yang mengancam primitif kriptografi yang berbeda: algoritma Shor dan algoritma Grover.

Algoritma Shor dapat membobol secara efisien (memungkinkan penyerang memperoleh kunci privat dari kunci publik) RSA, Diffie–Hellman dan, yang sangat penting bagi Solana, kriptografi kurva eliptik, termasuk Ed25519, yang merupakan skema tanda tangan inti di seluruh protokol Solana. Hal ini menjadikan Shor ancaman kuantum jangka panjang yang signifikan.

Algoritma Grover hanya memberikan percepatan kuadratik untuk pencarian brute-force. Algoritma ini mengurangi keamanan efektif SHA-256 menjadi 128 bit, yang masih jauh melampaui cakrawala ancaman realistis apa pun. Untuk kriptografi simetris, pohon Merkle, dan hashing, meningkatkan skala perangkat keras klasik masih lebih hemat biaya daripada membangun mesin kuantum berskala besar yang mampu menjalankan Grover. Karena itu, Grover bukanlah kekhawatiran realistis bagi model keamanan jangka panjang Solana.

Karena komputer kuantum berskala besar secara mendasar akan membobol kriptografi kunci publik saat ini, sebuah bidang bernama kriptografi pascakuantum (PQC) telah muncul untuk mengembangkan skema yang tetap aman bahkan saat menghadapi serangan kuantum. 

NIST (National Institute of Standards and Technology) sejauh ini telah menstandardisasi dua skema tanda tangan digital pascakuantum:

1. ML-DSA, berbasis kisi, berasal dari CRYSTALS-Dilithium
2. SLH-DSA, berbasis hash, berasal dari SPHINCS+

Keduanya menggunakan kunci publik dan tanda tangan yang jauh lebih besar daripada primitif kurva eliptik yang digunakan saat ini. Hal ini membuat migrasi dini tidak praktis bagi sistem dengan throughput tinggi seperti Solana, kecuali komputer kuantum menjadi ancaman yang sudah dekat. 

Ada pula FN-DSA (berbasis FALCON, dirancang sebagai alternatif yang lebih kecil daripada ML-DSA), yang saat ini hanya berupa draf proposal dan belum menjadi standar yang disetujui NIST.

Kriptografi pascakuantum masih berada dalam tahap pengembangan yang sangat aktif. Kemungkinan besar, jauh sebelum ada komputer kuantum yang mampu menjalankan algoritma Shor terhadap Ed25519, skema yang lebih efisien akan ditemukan. Pendekatan nonstandar awal, seperti tanda tangan HAWK, tampak menjanjikan, tetapi masih berada pada tahap penelitian.

Dengan bandwidth internet yang mengikuti hukum Nielsen dan batas ukuran transaksi Solana yang sudah akan meningkat menjadi 4096 byte pada 2026, wajar untuk menunda migrasi PQ penuh hingga tersedia skema yang lebih efisien, sembari mempersiapkan protokol untuk transisi pada akhirnya. Sementara itu, kita juga dapat mengandalkan konstruksi vault berbasis skema tanda tangan satu kali berbasis hash yang sudah teruji, seperti Winternitz, yang menawarkan keamanan jangka panjang bahkan terhadap serangan kuantum. Solusi tersebut sudah tersedia di Solana saat ini.

Artikel ini hanya berfokus pada bagian Solana yang sangat penting bagi konsensus dan bergantung pada Ed25519. Migrasi pascakuantum penuh juga akan melibatkan komponen lain, seperti komunikasi validator, saluran jaringan terenkripsi, dan kriptografi simetris—area yang juga memerlukan pengganti aman-PQ atau hibrida, tetapi berada di luar cakupan ikhtisar ini.

Alamat dan tanda tangan transaksi

Externally owned accounts (EOA) Solana menggunakan kunci publik sebagai alamat, dengan kunci publik Ed25519 berukuran 32 byte yang berfungsi sekaligus sebagai pengidentifikasi dan kunci verifikasi. Skema pascakuantum mengubah model ini, dan perubahan tersebut sewajarnya akan diperkenalkan melalui format alamat dan versi transaksi baru, bukan dengan mengubah format TX yang sudah ada.

• Kunci publik PQ jauh lebih besar, sehingga alamat 32 byte tidak lagi dapat mengenkode kunci publik secara langsung. Sebagai gantinya, alamat akan menjadi hash dari kunci publik PQ dan pengidentifikasi skema tanda tangan.
• Jika alamat PQ digunakan berdampingan dengan alamat Ed25519 yang ada selama migrasi, ruang alamat harus disusun agar hash turunan PQ tidak dapat bertabrakan dengan titik pada kurva Ed25519, sehingga dipastikan tidak ada kunci privat Ed25519 untuk alamat tersebut. Hal ini mencerminkan cara PDA menghindari titik Ed25519 yang valid dengan menggunakan bump seed.
• Keamanan PDA tetap tidak terpengaruh, karena PDA mengandalkan resistansi prapeta kedua SHA-256, yang tidak terancam oleh kemungkinan penerapan algoritma Grover di masa depan.
• ID transaksi saat ini adalah tanda tangan Ed25519 pertama dalam transaksi. Karena tanda tangan PQ jauh lebih besar, hal ini harus diubah. Alternatif yang wajar adalah menetapkan ID transaksi sebagai hash dari payload transaksi, sehingga tidak bergantung pada tanda tangan dan kompatibel dengan perkembangan masa depan.

Selain akun pengguna, semua kunci otoritas di Solana juga merupakan kunci publik Ed25519. Ini mencakup setiap bentuk otoritas pada tingkat protokol atau program: pemilik akun, otoritas mint, otoritas pembekuan, otoritas peningkatan, otoritas stake dan penarikan, kunci identitas validator, serta kunci otoritas suara. Semuanya hanyalah pasangan kunci Ed25519 dengan peran semantik yang berbeda. Karena itu, semuanya tunduk pada batasan migrasi pascakuantum yang sama seperti alamat pengguna dan kunci penandatanganan transaksi.

Seperti yang akan kita lihat di bagian Votor, saat ini belum ada padanan PQ untuk tanda tangan teragregasi seperti BLS. Jika skema semacam itu muncul di masa depan, kita juga dapat mengagregasi tanda tangan atas isi pesan dan menghemat banyak ruang pada transaksi dengan beberapa tanda tangan—bahkan berpotensi menggunakan lebih sedikit ruang daripada Ed25519.

Votor

Votor (yaitu bagian pemungutan suara dari peningkatan konsensus Alpenglow) mengandalkan struktur pemungutan suara semua-ke-semua di antara validator. Validator mengirimkan suara kepada semua validator lain pada setiap slot, dan setelah kuorum tercapai, sertifikat dapat dibentuk.

Saat ini, mekanisme ini efisien karena agregasi BLS menyediakan tanda tangan yang ringkas dan sertifikat teragregasi. Dalam lingkungan PQ, situasinya berubah.

Saat ini belum ada padanan PQ untuk agregasi BLS yang dapat diterapkan secara praktis. Ada beberapa arah penelitian, termasuk gagasan agregasi berbasis kisi seperti Chipmunk. Meskipun tidak ada yang tampak mustahil secara mendasar, semuanya belum cukup efisien untuk kebutuhan waktu nyata Solana. Ada pula agregasi berbasis STARK yang secara teori dapat membuktikan validitas banyak tanda tangan, tetapi pembuatan bukti untuk ratusan tanda tangan validator masih terlalu lambat…untuk saat ini.

Jika kita harus beralih ke agregasi tanda tangan dalam waktu dekat, Votor dapat disesuaikan agar dampaknya terhadap bandwidth berkurang secara signifikan. Validator hanya akan meneruskan sertifikat lengkap kepada satu atau dua leader berikutnya dan kepada sebagian kecil stake yang dipilih secara acak, alih-alih menyiarkannya kepada semua peer. Kebutuhan bandwidth meningkat, tetapi tetap sebanding dengan lapisan gossip pra-Alpenglow saat ini.

Tentu saja, mengurangi jumlah validator juga akan meringankan masalah ini. Jika perubahan protokol atau desain ekonomi di masa depan menghasilkan set validator yang jauh lebih kecil, kebutuhan bandwidth dan komputasi untuk pemungutan suara serta penanganan tanda tangan pada era PQ akan menjadi jauh lebih mudah dikelola. Lebih sedikit validator mengurangi skala komunikasi semua-ke-semua, menurunkan biaya pembentukan sertifikat, dan membuat skema agregasi PQ yang kurang optimal sekalipun lebih layak diterapkan. Namun, pengurangan tersebut memiliki kompromi tersendiri dalam hal desentralisasi dan toleransi kesalahan. Karena itu, dampaknya harus dipertimbangkan secara cermat terhadap sasaran keamanan sistem.

Rotor (Turbine)

Rotor (penerus protokol Turbine), yaitu protokol propagasi data dalam peningkatan Alpenglow, adalah jaringan relai tunggal Solana yang menyebarkan blok dengan cepat dan efisien. Mekanisme ini bekerja dengan meminta leader memecah blok menjadi unit yang lebih besar bernama slice (atau set Forward Error Correction), yang masing-masing terdiri dari beberapa shred. Slice menyediakan struktur koreksi kesalahan maju, sedangkan shred berfungsi sebagai paket berukuran MTU yang disebarkan melalui Rotor. Leader kemudian hanya mengirimkan shred kepada sejumlah kecil node di lapisan pertama pohon. Setiap node tersebut memverifikasi shred dan meneruskannya kepada node turunannya sendiri, sehingga memanfaatkan bandwidth banyak node dengan cara yang toleran terhadap kesalahan tanpa mengharuskan leader menyiarkan kepada semua pihak. Karena Rotor menggabungkan struktur ini dengan Forward Error Correction, node hanya perlu menerima sebagian shred untuk merekonstruksi blok sepenuhnya. Hal ini membuat sistem tahan terhadap kehilangan paket sekaligus mempertahankan throughput yang sangat tinggi.

Untuk mencegah shred berbahaya dan tidak valid disebarkan melalui jaringan, setiap shred menyertakan tanda tangan leader, yang dimungkinkan karena tanda tangan Ed25519 berukuran kecil. Tanda tangan PQ jauh lebih besar dan sering kali melampaui batas MTU, sehingga menyematkan satu tanda tangan ke setiap shred tidak memungkinkan.

Ada dua pendekatan realistis yang kompatibel dengan PQ:

A) Satu tanda tangan per slice (set FEC)

Arah yang praktis adalah:

• Tingkatkan ukuran slice (set FEC)
• Autentikasi saluran antarvalidator untuk mencegah node berbahaya menyisipkan shred palsu yang tidak dapat dilacak
• Hitung root Merkle atas semua shred dalam slice tersebut dan minta leader hanya menandatangani root itu (yang memang sudah menjadi cara kerja sistem saat ini)
• Setiap shred menyertakan bukti Merkle, tetapi tanpa tanda tangan

Validator memverifikasi keaslian shred melalui bukti Merkle terhadap root yang ditandatangani. Shred yang tidak valid langsung ditolak, sehingga pipelining dan kompatibilitas dengan desain relai berbobot stake milik Rotor tetap terjaga.

B) Satu tanda tangan untuk seluruh blok

Pendekatan lain yang dapat digunakan adalah:

• Leader menandatangani hanya hash blok akhir (yaitu komitmen vektor dari semua shred)
• Shred diteruskan sepanjang slot tanpa autentikasi langsung berbasis tanda tangan
• Setelah blok selesai, validator memverifikasi satu tanda tangan PQ dan memeriksa apakah semua shred yang diterima cocok dengan hash blok yang telah diautentikasi

Dalam model ini:

• Validator tidak dapat mendeteksi shred yang tidak valid selama slot berlangsung, karena keasliannya tidak dapat diverifikasi sebelum tanda tangan blok diterima
• Setelah blok selesai, shred yang tidak valid akan terdeteksi; relayer yang bertanggung jawab dapat diidentifikasi dan dimasukkan sementara ke daftar hitam dalam Rotor
• Pendekatan ini juga memerlukan saluran yang diautentikasi antarvalidator

Kedua strategi tersebut menghindari kebutuhan untuk menyematkan tanda tangan PQ yang besar ke setiap shred, yang merupakan hambatan utama bagi Rotor dalam dunia PQ.

Mitos

Mitos 1: “Jika komputer kuantum membobol kriptografi asimetris, kita menghadapi masalah yang lebih besar daripada kripto yang dibobol.

Sering kali diklaim bahwa setelah komputer kuantum mampu membobol kriptografi kunci publik, seluruh dunia digital akan runtuh sekaligus: bank, pemerintah, jaringan pembayaran, dan semuanya. Kenyataannya, sistem tersentralisasi dapat bermigrasi ke kriptografi baru dengan jauh lebih mudah. Bank atau pemerintah dapat merotasi kunci secara internal, memperbarui infrastruktur, dan mewajibkan pengguna mengadopsi saluran baru yang aman.

Blockchain publik tidak dapat melakukannya. Blockchain tidak dapat merotasi jutaan kunci pengguna secara terpusat tanpa pengguna sendiri menandatangani transaksi migrasi. Setiap pengguna harus menggunakan kunci privat mereka saat ini (yang justru menjadi rentan) untuk memindahkan aset ke alamat yang aman terhadap serangan pascakuantum. Hal ini membuat migrasi jauh lebih rumit dan sensitif terhadap waktu bagi sistem terdesentralisasi dibandingkan bagi layanan tersentralisasi mana pun.

Mitos 2: “Jika Anda belum pernah membelanjakan dana dari suatu alamat, Anda aman.”

Hal ini hanya benar sebagian untuk beberapa chain (misalnya Bitcoin). Dalam desain seperti ini, koin sering kali dikunci di balik hash (misalnya P2WPKH), dan kunci publik baru diketahui ketika pengguna membelanjakan dana dari alamat tersebut. Sebelum itu, kunci publik sebenarnya tersembunyi. Namun, perlindungan ini hilang begitu satu transaksi pengeluaran dilakukan. Setelah terungkap, kunci publik tersebut akan terekspos selamanya dan, dalam dunia pascakuantum, menjadi sasaran algoritma Shor.

Namun, Solana menggunakan model yang berbeda: setiap alamat adalah kunci publik. Tidak ada lapisan “tersembunyi” dan tidak ada perlindungan prapeta dari hashing. Akibatnya, secara default, setiap externally owned account di Solana rentan terhadap Shor setelah tersedia mesin kuantum yang cukup kuat. Tidak ada perlindungan untuk alamat yang belum pernah digunakan di sini.

Mitos 3: “Komputer kuantum akan segera hadir.”

Terlepas dari kemajuan rekayasa yang mengesankan selama setahun terakhir, komputer kuantum masih memiliki keterbatasan luar biasa. Perangkat saat ini dapat menjalankan versi sederhana algoritma Shor, yang biasanya didemonstrasikan dengan memfaktorkan angka seperti 21. Hal ini sepele dan tidak menawarkan nilai kriptoanalisis nyata.

Membobol kriptografi modern memerlukan ratusan ribu hingga jutaan qubit stabil, tingkat kesalahan yang sangat rendah, waktu koherensi yang panjang, serta sirkuit mendalam dengan koreksi kesalahan.

Mitos 4: “Algoritma Grover membuat fungsi hash tidak berguna.”

Algoritma Grover memberikan percepatan kuadratik untuk pencarian brute-force. Untuk SHA-256, ini berarti mengurangi keamanan 256 bit menjadi sekitar 128 bit. Tingkat ini masih jauh melampaui cakrawala serangan realistis apa pun, terutama jika dibandingkan dengan kesulitan luar biasa dalam membangun mesin kuantum yang bahkan mampu menjalankan Grover dalam skala besar.

Untuk kriptografi simetris, pohon Merkle, dan konstruksi berbasis hash, termasuk PDA di Solana, penskalaan klasik lebih murah dan praktis daripada mengandalkan serangan kuantum.

Mitos 5: “Komputer kuantum dapat mengekstrak seed phrase Anda dari kunci publik.”

Tidak ada algoritma kuantum yang dapat secara ajaib memperoleh seed phrase dari kunci publik. Seed phrase tidak tertanam secara matematis dalam kunci publik, dan tidak ada pemetaan yang dapat dibalik untuk mengungkap seed dompet melalui informasi publik. Komputer kuantum dapat memperoleh kunci privat dari kunci publik, tetapi tidak dapat bergerak lebih jauh ke “hulu” untuk merekonstruksi seed phrase yang awalnya menghasilkan pasangan kunci tersebut.

Seed phrase menghasilkan kunci privat melalui fungsi derivasi kunci satu arah, dan algoritma Shor tidak dapat membalik fungsi tersebut. Penyerang kuantum yang mendapatkan kunci privat Anda sudah menimbulkan dampak fatal—mereka dapat menandatangani transaksi—tetapi tetap tidak dapat menggandakan atau memulihkan seed phrase Anda, yang dapat melindungi kunci PQC baru Anda dengan jalur derivasi yang berbeda.

Kesimpulan

Solana tidak perlu bermigrasi ke kriptografi pascakuantum dalam waktu dekat. Untuk mewujudkannya, format transaksi harus diubah agar dapat memuat kunci publik PQ yang lebih besar, diperlukan logika untuk memastikan hash alamat turunan berada di luar kurva (mungkin dengan menggunakan bump/salt untuk menghindari tabrakan), dan runtime harus mendukung verifikasi beberapa skema PQ. Biaya terbesar adalah peningkatan ukuran transaksi dan komputasi verifikasi yang lebih tinggi, karena pemrosesan tanda tangan PQ lebih mahal daripada Ed25519. Perkiraan waktu hadirnya komputer kuantum praktis berkisar dari “beberapa tahun lagi” hingga “tidak akan pernah”, sedangkan skema tanda tangan PQ saat ini cukup besar dan lambat untuk sistem yang dioptimalkan bagi throughput sangat tinggi.

Namun, jika migrasi pada akhirnya diperlukan, jalurnya sudah jelas secara konseptual. Tidak satu pun perubahan ini mustahil, tetapi semuanya akan membentuk ulang beberapa subsistem Solana yang paling sensitif terhadap performa. Kabar baiknya, saat ancaman kuantum yang kredibel muncul, lanskap kriptografi kemungkinan besar akan sangat berbeda dan primitif PQ yang jauh lebih efisien mungkin sudah tersedia.

Referensi

• Whitepaper Alpenglow
• Standar Tanda Tangan Pascakuantum NIST (ML-DSA, SLH-DSA)
• Tanda Tangan HAWK
• Solana Winternitz Vault
• Algoritma Shor (1994)
• Algoritma Grover (1996)