[논문 리뷰] Ultra-fast real-time quantum random number generator with correlated measurement outcomes and rigorous security certification

Tobias Gehring, Cosmo Lupo외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 13.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 진공 플럭투에이션의 복소측정을 기반으로 한 실시간 양자 난수 생성기(QRNG)를 제안하며, 엄밀한 보안 인증을 통해 8 Gbit/s의 생성 속도를 달성한다. 이는 고전적 공격자에 대한 가정이나 상관관계가 없는 측정에 의존하지 않으며, 메트롤로지 수준의 동조 검출기 특성 분석을 통해 양자 공격 상황에서도 추출 가능한 난수의 하한을 보장한다.

ABSTRACT

Quantum random number generators (QRNGs) promise perfectly unpredictable random numbers. However, the security certification of the random numbers in form of a stochastic model often introduces assumptions that are either hardly justified or indeed unnecessary. Two important examples are the restriction of an adversary to the classical regime as well as negligible correlations between consecutive measurement outcomes. Additionally, non-rigorous system characterization opens a security loophole. In this work we experimentally realize a QRNG that does not rely on the aforementioned assumptions and whose stochastic model is established by a rigorous -- metrological -- approach. Based on quadrature measurements of vacuum fluctuations, we demonstrate a real-time random number generation rate of 8 \,GBit/s. Our security certification approach offers a number of practical benefits and will therefore find widespread applications in quantum random number generators. In particular, our generated random numbers are well suited for today's conventional and quantum cryptographic solutions.

연구 동기 및 목표

• 기존 QRNG에서의 잠재적 보안 결함, 즉 고전적 공격자에 대한 가정과 상관관계가 없는 측정에 대한 가정을 해결하기 위해.
• 난수 생성의 확률 모델링에서 검증되지도 않았고 불필요한 가정에 의존하지 않도록 하기 위해.
• 정보 이론적 보안 인증을 통한 실시간 고속 난수 생성(8 Gbit/s)을 달성하기 위해.
• 동조 검출 시스템의 메트롤로지 수준 특성 분석을 개발하여 매개변수 불확실성과 시스템 장애 확률의 하한을 엄밀히 제약하기 위해.
• 양자 및 고전 암호 시스템에서의 실용적 적용 가능성을 입증하고, 보장된 보안성을 갖춘 QRNG를 개발하기 위해.

제안 방법

• QRNG는 자체 제작한 동조 검출기(마이크로파 증폭기 MAR-6 및 InGaAs 광다이오드를 사용)를 통해 진공 플럭투에이션의 복소측정을 수행한다.
• 시스템 응답을 모델링하기 위해 실험적으로 전송 함수를 특성화하여 진공 플럭투에이션 전력의 엄밀한 하한을 확보한다.
• 유한한 측정 대역폭으로 인한 시간적 상관관계를 고려하기 위해 주파수 의존성 응답 R(ν) 및 해상도 χ를 확률 모델에 통합한다.
• 보수적인 메트롤로지적 접근을 통해 양자 공격에 대비한 추출 가능한 난수의 하한을 계산하여 양자 보안을 확보한다.
• 실시간 난수 추출을 위해 FPGA에 구현된 토플리츠 난수 추출기와 잔여 상관관계 제거를 위한 후처리를 적용한다.
• 측정된 전송 함수를 이론적 예측과 비교하여 확률 모델을 검증하고, 진공 플럭투에이션의 하한을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QRNG가 고전적 공격자에 대한 가정 없이 실시간 8 Gbit/s 속도로 보안을 엄밀히 인증할 수 있는가?
• RQ2 측정 결과의 시간적 상관관계를 생성 속도를 낮추지 않고 보안 모델에 통합할 수 있는가?
• RQ3 검출기의 비완전성과 매개변수 불확실성이 QRNG의 보안 인증에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 동조 검출 시스템의 메트롤로지 수준 특성 분석이 양자 공격 상황에서도 유효한 추출 가능한 난수의 하한을 제공할 수 있는가?
• RQ5 QRNG는 양자 및 고전 암호 시스템에서 얼마나 실용적으로 적용될 수 있으며, 보장된 보안성을 갖출 수 있는가?

주요 결과

• QRNG는 진공 플럭투에이션의 복소측정을 통해 실시간 난수 생성 속도 8 Gbit/s를 달성한다.
• 매개변수 불확실성의 하한이 보장된 메트롤로지 수준의 확률 모델을 통해 엄밀한 보안 인증을 실현한다.
• 양자 공격에 대비한 추출 가능한 난수의 하한이 증명되어 고전적 공격자에 대한 가정이 필요 없음을 입증한다.
• 유한한 측정 대역폭으로 인한 시간적 상관관계가 보안 모델에 명시적으로 반영되어 속도 감소 없이도 강건함을 확보한다.
• QRNG는 양자 키 분배(QKD)에 적합하며, 연속 작동 10년 후 보안 에프실론 약 10⁻³³을 달성한다.
• 전송 함수 특성 분석 결과 측정된 진공 플럭투에이션 전력이 이론적 최소값 이하로 떨어지지 않음을 확인하여 확률 모델의 타당성을 검증한다.