[論文レビュー] Post-Processing Free Spatio-Temporal Optical Random Number Generator Resilient to Hardware Failure and Signal Injection Attacks

M. Stipčević, John E. Bowers|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、光子放出および検出における空間的および時間的量子ノイズを活用することで、後処理を必要としない空間時間的光学乱数生成器を提示する。本装置は、ハードウェア障害や信号インジェクション攻撃に対して耐性を示し、後処理なしにNIST統計的テストスイートを通過する。また、真のランダムネスからのずれは、簡単な測定によって定量的に評価可能である。

ABSTRACT

We present a random number generator based on quantum effects in photonic emission and detection. It is unique in simultaneous use of both spatial and temporal quantum information contained in the system which makes it resilient to hardware failure and signal injection attacks. We show that its deviation from randomness cam be estimated based on simple measurements. Generated numbers pass NIST Statistical test suite without post-processing.

研究の動機と目的

• 一般的なサイドチャネル攻撃およびフォールトベース攻撃に対して耐性のある高速かつ物理的に安全な乱数生成器の開発。
• 暗号的に安全なランダムネスを維持しつつ、光学的乱数生成における後処理の必要性を排除すること。
• 空間的および時間的量子情報の二重利用により、ハードウェア障害および信号インジェクション攻撃に対する耐性を強化すること。
• 基本的なシステム測定のみを用いて、ランダムネスのずれを直接推定可能にすること。
• アルゴリズム的後処理なしにNIST統計的テストスイートを通過することの実証。

提案手法

• 生成器は、逆バイアスをかけた半導体ダイオードからの光子放出の時間的および空間的モードにおける量子ノイズを利用している。
• マルチエレメント光検出器アレイを用いて、空間的および時間的強度ゆらぎを同時に捉えている。
• 検出された光信号の振幅ノイズから直接ランダムビットを生成し、アルゴリズム的処理を一切行わない。
• システムのランダムネスずれは、測定された信号分散とシステムパラメータに基づく統計モデルを用いて推定されている。
• 空間的および時間的量子ゆらぎの本質的な予測不能性のおかげで、信号インジェクション攻撃は無効化されている。
• 本手法は、自己放射とショットノイズの物理的モデルに依拠しており、ランダムネス源の妥当性を検証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子光学的ノイズに基づく乱数生成器は、後処理なしに暗号的に安全なランダムネスを生成できるか？
• RQ2 空間的および時間的量子ノイズをどのように統合的に活用することで、ハードウェア障害および攻撃に対する耐性を高められるか？
• RQ3 真のランダムネスからのずれを推定するために、どのような測定可能なシステムパラメータが利用可能か？
• RQ4 二重ドメインの量子ノイズを活用することで、光学的乱数生成器における信号インジェクション攻撃はどの程度軽減可能か？
• RQ5 このようなシステムは、アルゴリズム的後処理なしにNIST統計的テストスイートを通過できるか？

主な発見

• 生成された乱数シーケンスは、後処理なしにNIST統計的テストスイートのすべてのテストに合格し、高品質なランダムネスを確認した。
• 信号分散とシステムパラメータの基本的測定のみを用いて、システムの真のランダムネスからのずれが定量的に評価可能である。
• 空間的および時間的量子ノイズの二重利用により、信号インジェクション攻撃およびハードウェア障害に対して本質的な耐性が得られている。
• 物理的ノイズから直接高速な乱数生成が可能であり、計算的後処理のオーバーヘッドが解消された。
• 簡単で非侵襲的な測定により、ランダムネス品質のリアルタイムモニタリングが可能となった。
• Optics Express (2015) に発表された実験結果は、理論的予測を裏付け、設計の堅牢性を検証した。