[論文レビュー] Physical Security in the Post-quantum Era: A Survey on Side-channel Analysis, Random Number Generators, and Physically Unclonable Functions

Sreeja Chowdhury, Ana Covic+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2020

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 133被引用数 16

ひとこと要約

本調査は、後量子時代における物理的セキュリティを検討し、サイドチャネル解析、乱数生成、物理的に複製不能な関数（PUFs）に焦点を当てる。古典的および量子的対応を比較し、量子耐性設計を評価するとともに、量子乱数生成器および量子PUFsにおけるエントロピー推定、自己テスト、信頼性に関する主要な課題を特定し、量子システムにおける強固な物理的セキュリティのための今後の研究方向性を提案する。

ABSTRACT

Over the past decades, quantum technology has seen consistent progress, with notable recent developments in the field of quantum computers. Traditionally, this trend has been primarily seen as a serious risk for cryptography; however, a positive aspect of quantum technology should also be stressed. In this regard, viewing this technology as a resource for honest parties rather than adversaries, it may enhance not only the security, but also the performance of specific cryptographic schemes. While considerable effort has been devoted to the design of quantum-resistant and quantum-enhanced schemes, little effort has been made to understanding their physical security. Physical security deals with the design and implementation of security measures fulfilling the practical requirements of cryptographic primitives, which are equally essential for classic and quantum ones. This survey aims to draw greater attention to the importance of physical security, with a focus on secure key generation and storage as well as secure execution. More specifically, the possibility of performing side-channel analysis in the quantum world is discussed and compared to attacks launched in the classic world. Besides, proposals for quantum random number generation and quantum physically unclonable functions are compared to their classic counterparts and further analyzed to give a better understanding of their features, advantages, and shortcomings. Finally, seen from these three perspectives, this survey provides an outlook for future research in this direction.

研究の動機と目的

• 量子コンピューティングが鍵生成、保存、実行における物理的セキュリティに与える影響を評価すること。
• 古典的攻撃と比較して、量子コンピューティング時代におけるサイドチャネル攻撃の実現可能性と制限を分析すること。
• 量子乱数生成器（QRNGs）と古典的真性乱数生成器（TRNGs）の速度、コスト、信頼性の観点から、QRNGsの優位性を評価すること。
• 量子物理的に複製不能な関数（PUFs）の設計、セキュリティ、攻撃表面を調査し、量子敵対者に対する耐性を検討すること。
• 後量子物理的セキュリティプリミティブにおける自己テスト、エントロピー推定、信頼性メトリクスに関する未解決の研究課題を特定すること。

提案手法

• 量子システムにおけるサイドチャネル解析に関する既存の文献を調査し、古典的および量子的実装における攻撃表面を比較する。
• TRNGsとQRNGsを分析し、エントロピー源、生成レート、自己テストおよび障害検出メカニズムの必要性に注目する。
• 量子現象（例：重ね合わせ、もつれ）に基づく量子PUFsを評価し、古典的PUFsと比較して、複製不能性と信頼性の観点から検討する。
• PUFsを含む認証プロトコルを調査し、量子敵対者に対して安全であるように設計されたものも含む。
• QRNGの信頼性を向上させるために、ランダムネス強化およびエントロピー推定技術をレビューする。
• 後量子物理的セキュリティプリミティブのための標準化された評価メトリクスと強固なテストフレームワークの必要性を提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子世界におけるサイドチャネル解析技術は、古典的世界とどのように異なり、どのような新たな脆弱性が生じるか？
• RQ2 性能、コスト、信頼性の観点から、古典的TRNGsと比較して、量子乱数生成器（QRNGs）の主な利点と制限は何であるか？
• RQ3 量子PUFsは古典的PUFsよりも強い複製不能性を提供できるか？信頼性および評価メトリクスの観点でのトレードオフは何か？
• RQ4 QRNGおよび量子PUFsの安全性を保証するための、最も有望な自己テストおよびエントロピー推定手法は何か？
• RQ5 量子敵対者に対する物理的プリミティブのセキュリティを検証するために、どのような新しい評価フレームワークとメトリクスが必要か？

主な発見

• 量子コンピュータは古典的暗号に脅威をもたらす一方で、量子現象を活用することで物理的セキュリティを強化する機会も提供する。
• QRNGsは高速で低コストかつ安全な乱数生成が可能であるが、信頼性を確保するためには厳密な自己テストおよびエントロピー推定が不可欠である。
• 重ね合わせともつれに基づく量子PUFsは、古典的PUFsよりも強い複製不能性を提供するが、信頼性が低下し、標準化された評価手法が不足している。
• 量子ドメインにおけるサイドチャネル攻撃はまだ十分に調査されておらず、量子測定および制御能力を悪用する新しい攻撃モデルが出現している。
• ランダムネス強化技術は、QRNGにおける低エントロピー源の問題を緩和できるが、真のランダムネスに対する信頼性は、不完全な特徴付けのため依然として課題である。
• 量子敵対者に対する後量子物理的プリミティブのセキュリティを評価するための標準化されたメトリクスと評価フレームワークの整備が、極めて重要である。