[논문 리뷰] Physical Security in the Post-quantum Era: A Survey on Side-channel Analysis, Random Number Generators, and Physically Unclonable Functions

Sreeja Chowdhury, Ana Covic외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 09.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 133인용 수 16

한 줄 요약

이 종합 검토는 양자 시대의 물리적 보안을 다루며, 측면 채널 분석, 난수 생성, 물리적으로 복제할 수 없는 기능(PUFs)에 중점을 둔다. 고전적 방법과 양자적 방법을 비교하고, 양자에 강건한 설계를 평가하며, 양자 난수 생성기와 양자 PUFs의 엔트로피 추정, 자기 테스트, 신뢰성에 관한 주요 과제를 규명하고, 양자 시스템에서의 강력한 물리적 보안을 위한 향후 연구 방향을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨팅이 키 생성, 저장, 실행 분야의 물리적 보안에 미치는 영향을 평가하기.
• 고전적 공격 대비 양자 컴퓨팅 시대의 측면 채널 공격의 가능성과 한계를 분석하기.
• 성능, 비용, 신뢰성 측면에서 고전적 진정한 난수 생성기(TRNGs)에 비해 양자 난수 생성기(QRNGs)의 장점과 한계를 평가하기.
• 양자 물리적으로 복제할 수 없는 기능(QUFs)의 설계, 보안성, 공격 표면을 탐구하고, 양자 적대자에 대한 내성에 대해 평가하기.
• 양자 후 보안 원천 기반의 신뢰성 평가 및 자기 테스트, 엔트로피 추정에 관한 열린 연구 과제를 규명하기.

제안 방법

• 양자 시스템에서의 측면 채널 분석에 관한 기존 문헌을 조사하고, 고전적 구현과 양자적 구현 간의 공격 표면을 비교하기.
• TRNGs와 QRNGs를 분석하며 엔트로피 원천, 생성 속도, 자기 테스트 및 장애 감지 메커니즘의 필요성에 중점을 두기.
• 양자 현상(예: 중첩, 얽힘 등)을 기반으로 한 양자 PUFs를 평가하고, 복제 불가능성과 신뢰성 측면에서 고전적 PUFs와 비교하기.
• PUFs를 포함한 인증 프로토콜을 조사하며, 양자 적대자에 대비해 안전한 것으로 설계된 프로토콜을 포함하기.
• QRNG의 신뢰성 향상을 위해 난수 강화 및 엔트로피 추정 기법을 검토하기.
• 양자 후 보안 원천 기반의 표준화된 평가 지표와 강력한 테스트 프레임워크의 필요성을 제안하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 세계에서의 측면 채널 분석 기법은 고전적 세계와 어떻게 다를까? 그리고 새로운 취약점은 무엇이 나타나는가?
• RQ2 성능, 비용, 신뢰성 측면에서 고전적 TRNGs에 비해 양자 난수 생성기(QRNGs)의 주요 장점과 한계는 무엇인가?
• RQ3 양자 PUFs는 고전적 PUFs보다 더 강력한 복제 불가능성을 제공할 수 있는가? 그리고 신뢰성과 평가 지표 측면에서의 상충 요소는 무엇인가?
• RQ4 QRNG와 양자 PUFs의 보안을 확보하기 위해 가장 유망한 자기 테스트 및 엔트로피 추정 방법은 무엇인가?
• RQ5 양자 적대자에 대비해 물리적 원천 기반의 보안을 검증하기 위해 어떤 새로운 평가 프레임워크와 지표가 필요한가?

주요 결과

• 양자 컴퓨터는 고전적 암호 기법에 위협이 되지만, 양자 현상의 활용을 통해 물리적 보안을 향상시킬 수 있는 기회도 제공한다.
• QRNGs는 고속, 저비용, 안정적인 난수 생성을 실현할 잠재력을 보이고 있으나, 신뢰성을 확보하기 위해 철저한 자기 테스트와 엔트로피 추정이 필요하다.
• 중첩과 얽힘 현상을 기반으로 한 양자 PUFs는 고전적 PUFs보다 더 강력한 복제 불가능성을 제공하지만, 신뢰성이 떨어지고 표준화된 평가 방법이 부족하다.
• 양자 영역에서의 측면 채널 공격는 아직 다루어지지 않은 분야이며, 양자 측정 및 제어 능력을 악용하는 새로운 공격 모델이 등장하고 있다.
• 난수 강화 기법은 QRNG에서 낮은 엔트로피 원천을 보완하는 데 도움이 되지만, 진정한 난수성에 대한 확신는 불완전한 특성화로 인해 여전히 도전 과제이다.
• 양자 적대자에 대비한 양자 후 보안 원천 기반의 신뢰성 평가를 위해 표준화된 지표와 평가 프레임워크의 도입이 절실하다.