[논문 리뷰] Quantum random number generators and their use in cryptography

M. Stipčević|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 22.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 17인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 정보이론적으로 보장된 암호화를 위한 본질적 양자 랜덤성에 기반한 양자 랜덤 수 생성기(QRNGs)를 제안한다. 이는 전자 노이즈에 의존하는 고전적 하드웨어 RNG들과 대비되며, 혼합 신호 FPGA가 진정한 양자 TRNG의 실용적 구현을 가능하게 하여 고전적 방법에 내재된 예측 가능성 문제를 제거함으로써 암호 보안을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 암호 시스템에서 정보이론적으로 보장된 무작위 수 생성의 비판적인 필요성을 해결하기 위해.
• 전자 노이즈에 기반한 고전적 RNG들과 본질적 양자 랜덤성에 기반한 양자 RNG들을 비교하기 위해.
• 최근의 혼합 신호 FPGA 기술을 사용하여 진정한 양자 TRNG의 구현 가능성을 평가하기 위해.
• 양자 TRNG이 암호 프로토콜의 보안을 어떻게 향상시킬 수 있는지 보여주기 위해.
• 고전적이고 증명되지 않은 RNG에서 정보이론적으로 안전한 양자 RNG로의 전환을 위한 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• 단일 광자나 큐비트의 측정 결과와 같은 양자 시스템의 본질적 무작위성을 진정한 무작위성의 원천으로 활용한다.
• 아날로그 및 디지털 구성 요소를 통합한 혼합 신호 FPGA를 활용하여 양자 노이즈 신호를 캡처하고 처리한다.
• 비틀림 분할기에서의 광자 탐지와 같은 양자 측정 과정을 사용하여 랜덤 비트스트림을 생성한다.
• 양자 노이즈를 고전적 전자 노이즈로부터 격리하는 시스템 아키텍처를 설계하여 정보이론적 보안을 확보한다.
• 통계적 검증과 양자 불확정성에 대한 이론적 한계를 사용하여 출력의 무작위성을 검증한다.
• 암호 시스템에 QRNG를 통합하여 실제 세계의 보안 향상 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자역학에 기반한 양자 랜덤 수 생성기는 정보이론적으로 보장된 무작위성을 제공할 수 있는가?
• RQ2 자유 주행 오실레이터에 기반한 고전적 RNG와 비교할 때, 양자 TRNG의 보안 수준은 어떻게 되는가?
• RQ3 최근의 혼합 신호 FPGA 기술을 사용하여 실용적인 양자 TRNG를 구현하는 것이 가능한가?
• RQ4 어떤 암호 응용 분야에서 진정한 양자 RNG의 사용이 보안을 상당히 향상시키는가?
• RQ5 하드웨어 플랫폼에 양자 TRNG를 구현할 때 기술적 및 아키텍처적 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 양자역학에 기반한 양자 TRNG는 전자 노이즈에 의존하는 고전적 RNG들과 달리 정보이론적으로 보장된 무작위성을 제공한다.
• 자유 주행 오실레이터를 사용하는 고전적 RNG는 전자 노이즈에 대한 물리적 가정에 의존하므로 엄밀히 보장된 보안을 확보할 수 없다.
• 혼합 신호 FPGA는 아날로그 양자 신호 캡처와 디지털 처리를 통합함으로써 양자 TRNG의 실용적 실현 가능성을 제공한다.
• 이 논문은 제3 및 제4세대 FPGA 및 ASIC 하드웨어에서도 양자 TRNG를 구현할 수 있음을 보여주며, 이는 이전에는 이러한 응용에 적합하지 않다고 여겨졌던 분야이다.
• 양자 TRNG를 사용하는 암호 시스템은 키 생성 및 프로토콜 실행 분야에서 명백한 보안 향상을 보인다.
• 양자 TRNG를 하드웨어 플랫폼에 통합함으로써 실제 시스템에서 정보이론적으로 보장된 무작위성 구현로의 길을 열어준다.