DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37190-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634260
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: I. Cherkaoui وآخرون
الموضوع الرئيسي: التشفير وأمان البيانات
نظرة عامة
تقدم البحث إطارًا جديدًا يدمج التشفير بعد الكم (PQC) مع بنية الثقة الصفرية (ZTA) لتعزيز أمان نماذج الذكاء الاصطناعي ضد التهديدات العدائية. من خلال استخدام نظرية الفئات، يقوم المؤلفون بنمذجة سير العمل التشفيري كتحولات وسياسات الثقة كدوال، مما يسهل الثقة الدقيقة، والتكيف، والتقسيم الدقيق باستخدام بدائيات PQC المعتمدة على الشبكات. لا يعزز هذا النهج الحماية ضد الذكاء الاصطناعي العدائي فحسب، بل يسمح أيضًا بانتقال مرن للتشفير، كما يتضح من خلال تنفيذ ملموس على منصة ESP32.
يظهر التنفيذ كفاءة كبيرة في الذاكرة، حيث يستخدم 91.86% من الذاكرة الحرة للعميل و97.88% للوسيط بعد العمليات التشفيرية. علاوة على ذلك، يرفض النظام بشكل فعال 100% من محاولات الوصول غير المصرح بها مع الحفاظ على زمن استجابة متوسط مثير للإعجاب دون المللي ثانية. تدعم الأدلة الصارمة المقدمة من نظرية الفئات المطالبات الأمنية، مما يبرز إمكانيات الإطار للتحكم في وصول نماذج الذكاء الاصطناعي بشكل قوي في سياق ما بعد الكم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات المتزايدة في مجال الأمن السيبراني التي تفرضها الاعتماد العالمي على نماذج الذكاء الاصطناعي، خاصة في ضوء التهديدات من الحوسبة الكمومية على أنظمة التشفير التقليدية. تؤكد على الحاجة إلى نموذج أمان جديد يدمج الذكاء الاصطناعي، والتقدم الكمومي، وتدابير الأمن السيبراني. تركز الاستراتيجيات الحالية، مثل بنية الثقة الصفرية (ZTA)، على التحقق الصريح، والوصول بأقل امتياز، والمراقبة المستمرة للتخفيف من المخاطر الناتجة عن الهجمات العدائية وتسمم البيانات. في الوقت نفسه، يقدم التشفير بعد الكم (PQC) خوارزميات مقاومة للكم، مع معايير مثل ML-KEM وML-DSA التي وضعتها NIST تهدف إلى مواجهة التهديدات الكمومية.
على الرغم من التقدم في ZTA وPQC، إلا أن هناك فجوة كبيرة في التكامل الرسمي لهذه الأطر. غالبًا ما تتجاهل التحليلات التقليدية لأداء التشفير ضرورة وجود هيكل نظري موحد يقوم بنمذجة العلاقات والخصائص التركيبية لبدائيات التشفير. تظهر نظرية الفئات كإطار مناسب، مما يسمح بتمثيل بروتوكولات التشفير كرسوم بيانية تبادلية، وبالتالي تحويل التركيز من التفاصيل الحسابية إلى الهياكل الثابتة. بينما استكشفت الأعمال الأخيرة نمذجة نظرية الفئات لبروتوكولات التشفير بعد الكم وبنى الثقة الصفرية، إلا أنها لم تدمج هذه المفاهيم بشكل كامل. تهدف هذه الورقة إلى سد هذه الفجوات، مقترحة إطارًا شاملاً يجمع بين مبادئ ZTA مع التجريدات النظرية الفئوية وPQC.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون قياسات الأداء للوحة تطوير ESP32-WROOM-32، مع التركيز على تنفيذ خوارزميات تشفير متنوعة. يقارنون تنفيذاتهم الخاصة من Engel-LWE (كلا الشكلين القياسي والفئوي) مع تنفيذات مرجعية من Kyber-768 وDilithium، بالإضافة إلى خوارزميات قديمة مثل ECDSA وRSA-2048. تم إجراء قياسات الطاقة والوقت باستخدام جهاز مراقبة الطاقة Monsoon، مع نتائج تشير إلى أن تنفيذ ESP32 يتماشى عن كثب مع القيم الموثقة لـ Kyber-768 ضمن هامش 5%. تسلط الدراسة الضوء على الكفاءة الحسابية لعمليات LWE، مشيرة إلى أن التشفير يتطلب وقتًا أكبر بكثير (متوسط 10,969 ميكروثانية) من فك التشفير (متوسط 2,890 ميكروثانية)، وذلك بسبب تعقيد ضرب المصفوفات وإدخال الضوضاء المتضمن في التشفير.
تؤكد النتائج أيضًا على كفاءة الذاكرة، حيث يظهر ESP32 احتفاظًا عاليًا بالذاكرة الحرة (91.86% للعميل و97.88% للوسيط) بعد العمليات التشفيرية. يكشف التحليل عن نمو تربيعي في استخدام الذاكرة مع زيادة الأبعاد في LWE، بينما يشير أيضًا إلى أن معامل الضوضاء له تأثير شبه خطي على متطلبات الذاكرة. تشير ملفات استهلاك الطاقة إلى تقلبات كبيرة أثناء التشفير، حيث يتجاوز استهلاك الطاقة الذروة المستويات المتوسطة بأكثر من 33%. يستنتج المؤلفون أنه على الرغم من أن متطلبات الذاكرة لـ LWE كبيرة، إلا أن مقاومته الكمومية وإثباتات الأمان الأبسط تجعله خيارًا قابلاً للتطبيق للأجهزة المقيدة مثل ESP32، خاصة في التطبيقات التي تتطلب مفاتيح مؤقتة واستخدام ذاكرة محسّن.
المناقشة
تناقش الورقة البحثية دمج نظام تشفير بعد الكم في بنية الثقة الصفرية (ZTA)، مع التأكيد على دوره في تعزيز الأمان لنشر نماذج الذكاء الاصطناعي. يتم وضع نموذج ZTA، الذي يفرض التحقق المستمر من الهوية ويطبق الوصول بأقل امتياز، كبديل قوي لنماذج الأمان التقليدية المعتمدة على المحيط التي تسمح بالحركة الجانبية من قبل المهاجمين. يستخدم الهيكل المقترح تشفير LWE، المعزز بواسطة عشوائية حتمية قائمة على توسيع Engel، لضمان المقاومة الكمومية. يستخدم النظام وسطاء قائمين على ESP32 للمصادقة والتحكم في الوصول، حيث يتم التحقق من طلبات العملاء من خلال بصمات تشفيرية ومعلومات سياقية، مما يعزل الأجهزة غير المصرح بها.
تتوسع الورقة في الإطار الفئوي الذي يدعم العمليات التشفيرية، مستخدمة نظرية الفئات لتشكيل التفاعلات بين بدائيات التشفير وسياسات الأمان. من خلال تمثيل الكائنات والتحولات ضمن هيكل فئوي، يوضح المؤلفون كيف يمكن تعريف التحولات الآمنة بدقة، مما يضمن سلامة النظام ضد مختلف طرق الهجوم. يتم تسليط الضوء على توسيع Engel كمصدر للعشوائية الحتمية التي تحافظ على توزيع موحد، مما يقلل من المخاطر المرتبطة بالاعتماديات الخطية في المصفوفات التشفيرية. تختتم الدراسة بتحليل الانحدار الديناميكي المحتمل في الأنظمة الفوضوية وتقترح استراتيجيات التخفيف، بما في ذلك بناء هجين فوضوي-رقمي وتقنيات توسيع الدقة، لتعزيز الجودة الإحصائية للتسلسلات العشوائية الناتجة.
القيود
تسلط القيود المفروضة على النظام المقترح الضوء على عدة مجالات حرجة تتطلب مزيدًا من التحقيق لتعزيز قابليته العملية. بينما يظهر النظام ميزات أمان قوية في ظل الظروف المثلى، إلا أنه يفتقر إلى القوة في السيناريوهات الواقعية. يتم تقييد التقييم الحالي بعدة عوامل: لم يتضمن اختبار الضغط، مثل المحاكاة ذات التزامن العالي أو هجمات DDoS؛ تم إجراء الاختبارات في بيئات مختبرية مثالية دون مراعاة الشذوذات الشبكية؛ وكان التقييم محدودًا بنشر جهاز واحد باستخدام عقدة ESP32، بدلاً من نظام موزع.
علاوة على ذلك، كشف التحليل المعماري عن اختناقات محتملة قد تؤثر على الأداء. على الرغم من أن السعة النظرية للتحقق تُقدّر بمعدل أعلى، إلا أن القيود العملية بسبب قيود الذاكرة والتحميل الزائد للإدخال/الإخراج تقلل من ذلك إلى حوالي 200-500 تحقق في الثانية. علاوة على ذلك، بينما أشار الاختبار المنضبط إلى معدل رفض خاطئ بنسبة 0%، يُتوقع أن تواجه التطبيقات الواقعية بعض مستويات الرفض الخاطئ، مما يستلزم مزيدًا من البحث لمعالجة هذه القضايا وتحسين مرونة النظام في بيئات تشغيل متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37190-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634260
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): I. Cherkaoui et al.
Primary Topic: Cryptography and Data Security
Overview
The research presents a novel framework that integrates post-quantum cryptography (PQC) with zero trust architecture (ZTA) to enhance the security of AI models against adversarial threats. By employing category theory, the authors model cryptographic workflows as morphisms and trust policies as functors, facilitating fine-grained, adaptive trust and micro-segmentation using lattice-based PQC primitives. This approach not only strengthens protection against adversarial AI but also allows for a crypto-agile transition, as demonstrated through a concrete implementation on the ESP32 platform.
The implementation showcases significant memory efficiency, utilizing 91.86% of free heap for the agent and 97.88% for the broker after cryptographic operations. Furthermore, the system effectively rejects 100% of unauthorized access attempts while maintaining an impressive average latency of sub-millisecond. The rigorous proofs provided by category theory underpin the security claims, highlighting the framework’s potential for robust AI model access control in a post-quantum context.
Introduction
The introduction highlights the growing cybersecurity challenges posed by the global reliance on AI models, particularly in light of the threats from quantum computing to traditional cryptographic systems. It emphasizes the need for a new security paradigm that integrates AI, quantum advancements, and cybersecurity measures. Current strategies, such as Zero Trust Architecture (ZTA), focus on explicit verification, least-privilege access, and continuous monitoring to mitigate risks from adversarial attacks and data poisoning. Concurrently, Post-Quantum Cryptography (PQC) offers quantum-resistant algorithms, with standards like ML-KEM and ML-DSA developed by NIST aimed at countering quantum threats.
Despite advancements in ZTA and PQC, a significant gap exists in the formal integration of these frameworks. Traditional analyses of cryptographic performance often neglect the necessity for a unified theoretical structure that models the relationships and compositional properties of cryptographic primitives. Category theory emerges as a suitable framework, allowing for the representation of cryptographic protocols as commutative diagrams, thereby shifting the focus from computational specifics to invariant structures. While recent works have explored category-theoretic modeling of post-quantum cryptographic protocols and zero-trust architectures, they have not fully integrated these concepts. This paper aims to bridge these perspectives, proposing a comprehensive framework that combines ZTA principles with category-theoretic abstractions and PQC.
Results
In this section, the authors present performance measurements of the ESP32-WROOM-32 development board, focusing on the implementation of various cryptographic algorithms. They compare their own implementations of Engel-LWE (both standard and categorical forms) against reference implementations of Kyber-768 and Dilithium, as well as legacy algorithms like ECDSA and RSA-2048. Power and timing measurements were conducted using a Monsoon Power Monitor, with results indicating that the ESP32 implementation aligns closely with documented values for Kyber-768 within a 5% margin. The study highlights the computational efficiency of LWE operations, noting that encryption requires significantly more time (average 10,969 µs) than decryption (average 2,890 µs), attributed to the complexity of matrix multiplication and noise injection involved in encryption.
The findings also emphasize memory efficiency, with the ESP32 demonstrating high free heap retention (91.86% for the agent and 97.88% for the broker) after cryptographic operations. The analysis reveals a quadratic growth in memory usage with increasing dimensions in LWE, while also noting that the noise parameter has a nearly linear impact on memory requirements. Power consumption profiles indicate significant fluctuations during encryption, with peak power consumption exceeding average levels by over 33%. The authors conclude that while LWE’s memory demands are substantial, its quantum resistance and simpler security proofs make it a viable option for constrained devices like the ESP32, particularly in applications requiring ephemeral keys and optimized memory usage.
Discussion
The research paper discusses the integration of a post-quantum cryptographic scheme into a Zero Trust Architecture (ZTA), emphasizing its role in enhancing security for AI model deployments. The ZTA paradigm, which mandates continuous verification of identity and enforces least-privilege access, is positioned as a robust alternative to traditional perimeter-based security models that allow lateral movement by attackers. The proposed architecture utilizes Learning With Errors (LWE) cryptography, enhanced by Engel expansion-based deterministic randomness, to ensure quantum resistance. The system employs ESP32-based brokers for authentication and access control, where client requests are validated through cryptographic fingerprints and contextual information, thereby isolating unauthorized devices.
The paper further elaborates on the categorical framework underpinning the cryptographic processes, employing category theory to formalize the interactions between cryptographic primitives and security policies. By representing objects and morphisms within a categorical structure, the authors demonstrate how secure transformations can be rigorously defined, ensuring the system’s integrity against various attack vectors. The Engel expansion is highlighted as a source of deterministic randomness that maintains uniform distribution, thereby mitigating the risks associated with linear dependencies in cryptographic matrices. The study concludes with an analysis of potential dynamical degradation in chaotic systems and proposes mitigation strategies, including a hybrid chaotic-digital construction and precision-extension techniques, to enhance the statistical quality of the generated random sequences.
Limitations
The limitations of the proposed system highlight several critical areas that require further investigation to enhance its practical applicability. While the system demonstrates strong security features under optimal conditions, it lacks robustness in real-world scenarios. The current evaluation is constrained by several factors: it did not include stress testing, such as high-concurrency or DDoS simulations; tests were conducted in ideal laboratory settings without accounting for network anomalies; and the assessment was limited to a single-device deployment using an ESP32 node, rather than a distributed system.
Additionally, the architectural analysis revealed potential bottlenecks that could impact performance. Although the theoretical capacity for verifications is estimated at a higher rate, practical limitations due to memory constraints and I/O overhead reduce this to approximately 200-500 verifications per second. Furthermore, while controlled testing indicated a 0% false rejection rate, it is anticipated that real-world applications will experience some level of false rejections, necessitating further research to address these issues and improve the system’s resilience in diverse operational environments.