[論文レビュー] Authentication of quantum key distribution with post-quantum cryptography and replay attacks

Liujun Wang, You-Yang Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、量子鍵配送（QKD）のデータ後処理における2つの後量子暗号（PQC）ベースの認証プロトコルを提案し、事前共有鍵が不要な長期的な量子耐性セキュリティを実現する。誤り訂正、乱数転送、最終鍵検証の認証にPQC署名を用いることで、測定基底と信号状態の固有のランダムネスのおかげで再生攻撃を防止する。

ABSTRACT

With the development of quantum computers, traditional cryptographic systems are facing more and more serious security threats. Fortunately, quantum key distribution (QKD) and post-quantum cryptography (PQC) are two cryptographic mechanisms with quantum-resistant security, and both will become important solutions for future information security. However, neither of them is perfect, and they are complementary. Quantum key distribution has unconditional security that post-quantum cryptography does not have, and PQC can provide secure and convenient authentication for QKD networks. In this paper, we propose two protocols based on PQC to realize the full authentication of the QKD data post-processing, and we only need to assume the short-term security of PQC algorithm to ensure the long-term quantum resistant security of distributed keys. We found that for the above two authentication protocols, attackers cannot successfully implement replay attacks. These authentication protocols can solve the problems of the current pre-shared key authentication in the application of large-scale quantum key distribution networks, and are expected to realize a key distribution mechanism with practical operability and quantum resistant security, which will be beneficial to promote the deployment and application of quantum key distribution networks.

研究の動機と目的

• 大規模なQKDネットワークにおける事前共有鍵認証のスケーラビリティおよび実用性の課題を解決する。
• 後量子暗号（PQC）を認証に統合することで、QKDにおける量子耐性セキュリティを実現する。
• PQCベースの相互認証により、メトロポリタンQKDネットワークにおける信頼できる中継装置への依存を排除する。
• PQCアルゴリズムが将来的に破られた場合でも、分散鍵の長期的セキュリティを保証するため、短期間のPQCセキュリティにのみ依存する。

提案手法

• PQCデジタル署名（例：格子ベースまたはハッシュベース）を用いて、QKD後処理における誤り訂正検証および最終鍵検証を認証する。
• プライバシー強化のための乱数転送を、PQC署名付きハッシュ値で認証し、なりすましを防止する。
• 認証済みハッシュ値からの漏洩した鍵情報を取り除くためにプライバシー強化を適用し、側面からの漏洩を防止する。
• 2つのプロトコルを設計：1つ目は基底選択、誤り訂正、乱数転送のPQC認証を含む。2つ目は、プライバシー強化済み鍵の小さな一部を用いて最終鍵検証をPQCで認証する。
• 測定基底と信号変調のランダムネスを活用し、以前の正当なQKDセッションがなければ同一の誤り訂正済み鍵を再現できないため、再生攻撃を防止する。
• PQCアルゴリズムが認証後に破られても、認証データが鍵生成前に完了しているため、最終QKD鍵は安全である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PQCベースの認証は、大規模なQKDネットワークにおける事前共有鍵の代替手段として機能し、長期的な量子耐性を維持できるか？
• RQ2 PQCが後処理ステップの認証に用いられる場合、QKDプロトコルに対して再生攻撃が成功するか？
• RQ3 測定基底と信号状態のランダムネスが、QKDにおける再生攻撃の可能性に与える影響は何か？
• RQ4 PQC認証をQKDプロトコルに統合しても、最終鍵の無条件セキュリティが損なわれないか？
• RQ5 PQCアルゴリズムのセキュリティを短期間のみ仮定する場合、QKD鍵の長期的セキュリティを保証できるか？

主な発見

• 提案されたPQCベースの認証プロトコルは、相手の測定基底と信号状態のランダムネスのおかげで、誤り訂正済み鍵が再現できないため、再生攻撃を防止する。
• 攻撃者が署名付きハッシュ値を正しく再送する確率は、$2^{-k}$ にほぼ等しく、ここで $k$ は誤り訂正済み鍵の長さであるため、実用上不可能である。
• PQCアルゴリズムが将来的に破られても、認証プロセスが鍵生成前に完了しているため、最終QKD鍵は安全なままである。
• これらのプロトコルは、測定装置に依存しないQKD、二重フィールドQKD、連続変数QKDなど、さまざまなQKDプロトコルと互換性がある。
• PQC認証の導入により、メトロポリタンQKDネットワークにおける信頼できる中継装置の必要性が低減または排除され、ネットワークの相互接続性とセキュリティが向上する。
• PQC認証により、事前共有対称鍵の必要性がなくなり、大規模なQKD展開におけるスケーラビリティが著しく向上する。