[論文レビュー] Effect of source tampering in the security of quantum cryptography

Shi‐Hai Sun, Feihu Xu+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 21, 2015

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、パulsedレーザーを用いて位相ランダム化と強度を操作することにより、離散変数および連続変数量子鍵配送（QKD）プロトコルにおけるソース改ざんを悪用する、隠れ矢の量子ハッキング攻撃を示している。攻撃はQKDのセキュリティの基盤的仮定をくつがえし、検出可能な痕跡を残さない。これにより、BB84、MDI-QKD、弱い量子計算プロトコルに対する盗聴が可能となり、鍵レートの低下が測定可能な結果となる。

ABSTRACT

The security of source has become an increasingly important issue in quantum cryptography. Based on the framework of measurement-device-independent quantum-key-distribution (MDI-QKD), the source becomes the only region exploitable by a potential eavesdropper (Eve). Phase randomization is a cornerstone assumption in most discrete-variable (DV-) quantum communication protocols (e.g., QKD, quantum coin tossing, weak coherent state blind quantum computing, and so on), and the violation of such an assumption is thus fatal to the security of those protocols. In this paper, we show a simple quantum hacking strategy, with commercial and homemade pulsed lasers, by Eve that allows her to actively tamper with the source and violate such an assumption, without leaving a trace afterwards. Furthermore, our attack may also be valid for continuous-variable (CV-) QKD, which is another main class of QKD protocol, since, excepting the phase random assumption, other parameters (e.g., intensity) could also be changed, which directly determine the security of CV-QKD.

研究の動機と目的

• 実用的QKDシステムにおける位相ランダム化仮定の違反に起因する量子暗号における深刻な脆弱性を暴露すること。
• パulsesレーザーを用いてソースを能動的に操作することで、隠れ矢の痕跡のないQKDプロトコル攻撃を実証すること。
• このようなソースベースの攻撃が、離散変数（DV）QKDにとどまらず、強度変調を用いた連続変数（CV）QKDに対しても有効であることを示すこと。
• 既存の対策が半導体レーザーダイオードを用いるシステムにおいてもソースの不具合を完全に是正できるという仮定に疑問を呈すること。
• セキュリティを損なう微細で非破壊的なソース改ざんを検出する現行のモニタリング技術の限界を強調すること。

提案手法

• Eveは制御可能で明るいレーザーを信号ソース（例：半導体レーザーダイオード）に照射し、装置を損傷させることなく位相および強度の揺らぎを引き起こす。
• 攻撃は、BB84やMDI-QKDなどのDV-QKDプロトコルにおいて、位相ランダム化が基盤的仮定であることに起因し、その違反が盗聴を可能にする。
• 制御レーザーを信号パルスと正確に同期させることで、Eveはパルス間で相関する位相シフトを引き起こし、セキュリティ証明に必要な均一な位相分布を破壊する。
• 信号ソースに複数のレーザーダイオードが使用されていても、時間シフトに基づいて個々のパルスを区別し、操作可能であるため、攻撃は有効である。
• Eveは信号レーザーの強度を変調でき、これはデコイ状態プロトコルのセキュリティを直接損なう。シミュレーションでは、1–3%の強度変動下で11.86%～36.17%の鍵レート低下が示された。
• 攻撃は量子ビット誤り率（QBER）の上昇を避けるように設計されており、標準的な誤りモニタリングによる検出が不可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相ランダム化仮定を破るソースベースの量子ハッキング攻撃は、DV-QKDにおいて検出可能な痕跡を残さずに実行可能か？
• RQ2 信号ソースにおける強度の揺らぎが、デコイ状態QKDプロトコルのセキュリティにどの程度影響を与えるか？
• RQ3 提案された攻撃は、強度および局所発振器の安定性が極めて重要な連続変数QKDにも適用可能か？
• RQ4 商業的または自作のパルスレーザーを用いて攻撃を実行可能であり、実用的実行可能性があるか？
• RQ5 Eveは、誤り率を上昇させずにソースを改ざんする際、アリスとボブによる検出を回避できるか？

主な発見

• 商業的および自作のパルスレーザーを用いて、DV-QKDプロトコルにおける位相ランダム化仮定の違反を引き起こす隠れ矢の量子ハッキング攻撃が成功裏に実証された。
• 実験的条件下で、1%、2%、3%の強度変動に対して、それぞれ11.86%、23.91%、36.17%の秘密鍵レート低下が測定された。
• 複数のレーザーダイオードを有するシステムでも攻撃は有効であり、Eveは時間シフトに基づいて個々のパルスを区別し、操作可能である。
• 明るい光の照射によって誘発されるパルス形状の変更は微細であり、標準機器（例：40 GHz帯域幅オシロスコープ）では検出不可能であり、検出には高度で高帯域のモニタリングが必要である。
• 攻撃はシステムの停止時にも検出不能であり、量子ビット誤り率（QBER）を上昇させないため、誤りモニタリングに基づく標準的なセキュリティチェックを回避する。
• この方法は、位相と強度に関する基本的仮定を狙うため、離散変数および連続変数QKDの両方のプロトコルに適用可能である。