[論文レビュー] Quantum random number generators and their use in cryptography

M. Stipčević|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2011

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 17被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、内在的量子ノイズに基づく量子乱数生成器（QRNG）を提案し、電子的ノイズに依存する従来のハードウェアRNGとは対照的に、証明可能に安全な暗号化を実現する。混合信号FPGAが真の量子TRNGの実装を可能にし、従来の方法に内在する予測可能性を排除することで、暗号セキュリティを顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

Random number generators (RNG) are an important resource in many areas: cryptography (both quantum and classical), probabilistic computation (Monte Carlo methods), numerical simulations, industrial testing and labeling, hazard games, scientific research, etc. Because today's computers are deterministic, they can not create random numbers unless complemented with a RNG. Randomness of a RNG can be precisely, scientifically characterized and measured. Especially valuable is the information-theoretic provable RNG (True RNG - TRNG) which, at state of the art, seem to be possible only by use of physical randomness inherent to certain (simple) quantum systems. On the other hand, current industry standard dictates use of RNG's based on free running oscillators (FRO) whose randomness is derived from electronics noise present in logic circuits and which cannot be strictly proven. This approach is currently used in 3-rd and 4-th generation FPGA and ASIC hardware, unsuitable for realization of quantum TRNG. We compare weak and strong aspects of the two approaches and discuss possibility of building quantum TRNG in the recently appeared Mixed Signal FPGA technology. Finally, we discuss several examples where use of a TRNG is critical and show how it can significantly improve security of cryptographic systems.

研究の動機と目的

• 暗号システムにおける証明可能に安全な乱数生成の重要なニーズに対処すること。
• 電子的ノイズに依存する従来のRNGと、内在的量子ランダムネスに基づく量子RNGを比較すること。
• 最近の混合信号FPGA技術を用いた真の量子TRNGの実装可能性を評価すること。
• 量子TRNGが暗号プロトコルにおけるセキュリティをどのように向上させることができるかを示すこと。
• 従来の証明不能なRNGから、情報理論的に安全な量子RNGへの移行の基盤を提供すること。

提案手法

• 単一光子や量子ビットの測定結果といった、量子系の固有のランダムネスを真のランダムネスの源として利用する。
• アナログとデジタル部品を統合した混合信号FPGAを活用し、量子ノイズ信号をキャプチャおよび処理すること。
• ビームスプリッタでの光子検出といった量子測定プロセスを用いて、ランダムビットストリームを生成すること。
• 量子ノイズを古典的電子ノイズから分離するシステムアーキテクチャを設計し、情報理論的セキュリティを確保すること。
• 統計的検定と量子不確実性の理論的限界を用いて、出力のランダムネスを検証すること。
• QRNGを暗号システムに統合し、実世界でのセキュリティ向上を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子力学に基づく量子乱数生成器は、情報理論的に証明可能なランダムネスを提供できるか？
• RQ2 自由運転オシレーターに依存する従来のRNGと比較して、量子TRNGのセキュリティはどのように異なるか？
• RQ3 最近の混合信号FPGA技術を用いて、実用的な量子TRNGを実装することは可能か？
• RQ4 どのような暗号的応用において、真の量子RNGの使用がセキュリティを顕著に向上させるか？
• RQ5 ハードウェアプラットフォームへの量子TRNGの展開における技術的およびアーキテクチャ的課題は何か？

主な発見

• 量子力学に基づく量子TRNGは、電子的ノイズに依存する従来のRNGとは異なり、情報理論的に証明可能なランダムネスを提供する。
• 自由運転オシレーターに依存する従来のRNGは、電子的ノイズに関する物理的仮定に依存するため、厳密に安全とは証明できない。
• 混合信号FPGAは、アナログ量子信号取得とデジタル処理を統合することで、量子TRNGの実用的実装を可能にする。
• 本論文は、3世代目および4世代目のFPGAおよびASICハードウェアでも量子TRNGを実装可能であることを示している。これは、かつてこのような応用に不適切とされていた。
• 量子TRNGを用いた暗号システムは、特に鍵生成およびプロトコル実行において、測定可能なセキュリティ向上を示している。
• ハードウェアプラットフォームへの量子TRNGの統合は、実世界のシステムにおける証明可能に安全なランダムネスへの道筋を提供する。