การศึกษาประสิทธิภาพการประมวลผลกำเนิดรหัสลับส่วนหลังในระบบการกระจายกุญแจ รหัสลับเชิงควอนตัมผ่านอากาศแบบพัวพัน
Article Sidebar
Main Article Content
บทคัดย่อ
บทความนี้นำเสนอการออกแบบและพัฒนากระบวนการประมวลผลกำเนิดกุญแจรหัสลับส่วนหลังในรูปแบบซอฟต์แวร์ที่สอดคล้องตามหลักปฏิบัติของระบบการกระจายกุญแจรหัสลับเชิงควอนตัม ประกอบด้วยขั้นตอนวิธีทั้งสามส่วนหลัก ได้แก่ 1) การประมาณค่าพารามิเตอร์อัตราความผิดพลาดบิตเชิงควอนตัมโดยอาศัยวิธีการสุ่มตัวอย่างบิต 2) การไกล่เกลี่ยความผิดพลาดด้วยรหัสแอลดีพีซีแบบปรับอัตราเข้ารหัสอย่างเหมาะสมทำงานร่วมกับวิธีการยืนยันความถูกต้องด้วยฟังก์ชันแฮชแบบพหุนาม และ 3) การขยายสภาวะส่วนตัวด้วยฟังก์ชันแฮชเชิง
เอกภพที่อาศัยการสุ่มชุดข้อมูลไบนารีตามโครงสร้างของเมทริกซ์แบบโทพลิทซ์ภายใต้เงื่อนไขของอัตราการกำเนิดกุญแจรหัสลับที่ปลอดภัย
จากผลการทดสอบประสิทธิภาพร่วมกับระบบการกระจายกุญแจรหัสลับเชิงควอนตัมแบบพัวพันตามเกณฑ์วิธีการ BBM92 บนช่องสัญญาณเชิงควอนตัมผ่านอากาศในระยะทาง 11 เมตร จำนวน 100 รอบการทำงาน ซึ่งให้กำเนิดกุญแจซิฟท์มีอัตราเร็วเฉลี่ยเท่ากับ 1,109.08 บิตต่อวินาที โดยวิธีการที่นำเสนอมีประสิทธิภาพในการประมวลผลสร้างข้อตกลงร่วมกันระหว่างคู่สื่อสารกำเนิดเป็นกุญแจรหัสลับที่มีค่าถูกต้องตรงกันตามหลักความปลอดภัยทางทฤษฎีสารสนเทศได้ผลลัพธ์ของค่าเฉลี่ยการประมาณค่าอัตราความผิดพลาดบิตเชิงควอนตัมเท่ากับ 2.0127% ค่าเฉลี่ยประสิทธิภาพการไกล่เกลี่ยความผิดพลาดเท่ากับ 1.1919 และค่าเฉลี่ยอัตราการกำเนิดกุญแจรหัสลับสุดท้ายเท่ากับ 428.42 บิตต่อวินาที ขั้นตอนวิธีที่ได้นำเสนอสามารถนำไปปรับค่าพารามิเตอร์อินพุตที่เหมาะสมกับการประมวลผลในแต่ละขั้นตอนเพื่อรองรับการประยุกต์ใช้งานจริงร่วมกับอุปกรณ์การกระจายกุญแจรหัสลับเชิงควอนตัมแบบไม่ต่อเนื่องโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับระบบที่ต้องการความเร็วสูงต่อไป
Article Details
References
Bennett CH, Brassard G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing. Proceedings of International Conference on Computers, Systems and Signal Processing; 1984; Bangalore, India. p. 175–179.
Wootters WK, Zurek WH. A Single Quantum Cannot Be Cloned. Nature. 1982 Oct; 299: 802–803.
Cachin C, Maurer U. Unconditional security against memory-bounded adversaries. Advances in Cryptology–CRYPTO ’97. 1997; 1294: 292–306.
ID Quantique. Clavis XG QKD System [Internet].
[cited 2023 Feb 1]. Available from: https://
www.idquantique.com/quantum-safe-security/
products/clavis-xg-qkd-system/
Toshiba Digital Solutions Corporation. Quantum Key Distribution Products [Internet]. 2023 [cited 2023 Feb 1]. Available from: https://www.global.toshiba/
ww/products-solutions/security-ict/qkd/products.html
Xu F, Ma X, Zhang Q, Lo HK, Pan JW. Secure quantum key distribution with realistic devices. Rev. Mod. Phys. 2020 May; 92: 025002.
Shannon CE. A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal. 1948 Jul, Oct; 27: 379–423, 623–656.
Maurer UM. Secret key agreement by public discussion from common information. IEEE Trans. Inf. Theory, 1993 May; 39(3): 733–742.
Fung CHF, Ma X, Chau H. Practical issues in quantum-key-distribution postprocessing. Phys Rev A. 2010 Jan; 81(1): 012318.
Marøy Ø, Gudmundsen M, Lydersen L, Skaar J. Error estimation, error correction and verification in quantum key distribution. IET Inf Secur. 2014 Sept; 8(5): 277–282.
Kiktenko EO, Trushechkin AS, Kurochkin YV, Fedorov AK. Post-processing procedure for industrial quantum key distribution systems, J. Phys.: Conf. Ser. 2016; 741: 012081.
Lorünser T, Krenn S, Pacher C, Schrenk B. On the security of offloading post-processing for quantum key distribution, Entropy. 2023 Jan; 25(2): 226.
Scarani V, Pasquinucci HB, Cerf NJ, Dušek M, Lütkenhaus N, Peev M. The security of practical quantum key distribution. Rev. Mod. Phys. 2009 Sept; 81: 1301.
Elkouss D, Martinez-Mateo J, Martin V. Analysis of a rate-adaptive reconciliation protocol and the effect of the leakage on the secret key rate. Phys. Rev. A. 2013 Apr; 87(4): 042334.
Treeviriyanupab P, Phromsa-ard T, Zhang CM, Li M, Sangwongngam P, Sanevong Na Ayutaya T, et al. Rate-adaptive reconciliation and its estimator for quantum bit error rate. International Symposium on Communications and Information Technologies; 2014; Incheon, Korea. p 351–355.
Wegman MN, Carter JL. New hash functions and their use in authentication and set equality.
J Comput Syst Sci. 1981 Jun; 22(3): 265–279.
Krovetz T, Rogaway P. Fast universal hashing with small keys and no preprocessing: the PolyR construction. Lect. Notes Comput. Sci. 2015; 73–89.
Gray R M. Toeplitz and circulant matrices: A review. Found. Trends Commun. Inf. Theory. 2006 Jan; 2(3): 155–239.
Poppe A, Fedrizzi A, Hubel H, Ursin R, Zeillinger A. Entangled state quantum key distribution and teleportation. 31st European Conference on Optical Communication; 2015; Glasgow, Scotland.
Melniczuk D, Jacak M. Testing of the entangled QKD system EPR S405 Quelle (AIT) in commercial 1550 nm fiber network. Int. J. Communications, Network and System Sciences. 2014 Jan; 7(1): 30–36.
Rivest R, Shamir A, Adleman L. A method for obtaining digital signatures and public key cryptosystems. Commun. ACM. 1978 Feb; 21(2): 120–126.
Diffie W, Hellman ME. New directions in cryptography. IEEE Trans. Inf. Theory. 1976 Nov; 22(6): 644–654.
Strangio MA. Efficient Diffie-Hellmann two-party key agreement protocols based on elliptic curves. Proceedings of the 2005 ACM symposium on Applied computing; 2005; New York, United States, p 324–331.
Arute F, Arya K, Babbush R, Bacon D, Bardin JC, Barends R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature. 2019 Oct; 574: 505–511.
IEEE Spectrum. An IBM quantum computer will soon pass the 1000-qubit mark [Internet]. 2022 [cited 2023 Jan 30]. Available from: https://spectrum.
ieee.org/ibm-condor
Yan B, Tan Z, Wei S, Jiang H, Wang W, Wang H, et al. Factoring integers with sublinear resources on a superconducting quantum processor [Internet]. arXiv [Preprint]. 2022 [cited 2023 Jan 31]: 32 p. Available from: https://arxiv.org/abs/2212.12372
Schneier B. Breaking RSA with a quantum computer [Internet]. 2023 [cited 2023 Jan 31]. Available from: https://www.schneier.com/blog/archives/2023/01/
breaking-rsa-with-a-quantum-computer.html
Beveratos A, Brouri R, Gacoin T, Villing A, Poizat JP, Grangier P. Single photon quantum cryptography. Phys. Rev. Lett. 2002 Oct; 89: 187901.
Ekert AK. Quantum cryptography based on Bell’s theorem. Phys. Rev. Lett. 1991 Aug; 67: 661.
Bennett CH, Brassard G, Mermin D. Quantum cryptography without Bell’s theorem. Phys. Rev. Lett. 1992 Feb; 68, 557.
Barker E. Guideline for using cryptographic standards in the federal government: Cryptographic Mechanisms [Internet], NIST Special Publication 800-175B, National Institute of Standards and Technology; 2020 March [cited 2023 Jan 30]. 91 p. Available from: https://doi.org/10.6028/NIST.SP.800-175Br1
Felsch D, Grothe M, Schwenk J, Czubak A, Szymanek M. The dangers of key reuse: practical attacks on IPsec IKE. Proceedings of the 27th USENIX Security Symposium; 2018 Aug; Maryland, United States, p 567–583.
Shannon CE. Communication theory of secrecy systems. The Bell system technical journal. 1949 Oct; 28(4): 656–715.
Vernam GS. Cipher printing telegraph systems for secret wire and radio telegraphic communications. Trans. Am. Inst. Electr. Eng. 1926; 45: 295–301.
Renner R, Gisin N, Kraus B. Information-theoretic security proof for quantum-key-distribution protocols. Phys. Rev. A. 2005 July; 72, 012332.
พัชรพงษ์ ตรีวิริยานุภาพ และธราธร พรมสะอาด.
การประมาณค่าช่องสัญญาณด้วยภาวะน่าจะเป็นสูงสุดสำหรับการไกล่เกลี่ยความผิดพลาดแบบปรับอัตราเข้ารหัสเหมาะสมกับการกระจายกุญแจรหัสลับเชิงควอนตัม. วารสารวิชาการพระจอมเกล้าพระนครเหนือ. 2560 มกราคม; 27(1): 169–178.
Kiktenko EO, Malyshev AO, Bozhedarov AA, Pozhar NO, Anufriev MN, Fedorov AK. Error estimation at the information reconciliation stage of quantum key distribution. J. Russ. Laser Res. 2018 Nov; 39: 558–567.
Yang L, Dong H, Li Z. One-way information reconciliation schemes of quantum key distribution. Cybersecurity. 2019 May; 2: 16.
Brassard G, Salvail L. Secret-key reconciliation by public discussion. Advances in Cryptology–EUROCRYPT '93. 1993; LNCS 765: 410–423.
Martinez-Mateo J, Pacher C, Peev M. Demystifying the Information Reconciliation Protocol Cascade. Quantum Inf. Comput. 2015 Apr; 15(5–6): 453–0477.
Gallager R. Low-density parity-check codes [PhD thesis]. Massachusetts Institute of Technology; 1963. 111 p.
Richardson T, Urbanke R. Modern coding theory. Cambridge University Press, 2008. 590 p.
Kiktenko EO, Malyshev OA, Fedorov AK. Blind information reconciliation with polar codes for quantum key distribution. IEEE Communications Letters. 2021 Jan; 25(1): 79–83.
Mao HK, Qiao YC, Li Q. High-efficient syndrome-based LDPC reconciliation for quantum key distribution. Entropy. 2021; 23(11): 1440.
Borisov N, Petrov I, Tayduganov A. Asymmetric adaptive LDPC-based information reconciliation for industrial quantum key distribution. Entropy. 2023; 25(1): 31.
Scarani V, Renner R. Quantum cryptography with finite resources: unconditional security bound for discrete-variable protocols with one-way postprocessing. Phys. Rev. Lett. 2008 May; 100: 200501.
Tomamichel M, Lim CCW, Gisin N, Renner R. Tight finite-key analysis for quantum cryptography. Nat. Commun. 2012 Jan; 3: 634.
Richardson T, Shokrollahi MA, Urbanke R. Design of capacity-approaching irregular low-density parity-check codes. IEEE Trans. Inf. Theory. 2001 Feb; 47(2): 619–637.
Slepian D, Wolf JK. Noiseless coding of correlated information sources. IEEE Trans. Inform. Theory. 1973 July; 19(4): 471–480.
Tian T, Jones CR. Construction of rate compatible LDPC codes utilizing information shortening and parity puncturing. EURASIP J Wirel Commun Netw. 2005; 5: 789–795.
Maurhart O, Petscharnig S, Grafenauer T, Ömer B, Hentschel M, Vogt PS, Pacher C. AIT QKD post processing and network software. The Annual conference on quantum cryptography (QCrypt); 2020 Aug; Amsterdam, The Netherlands.
Maurhart O. AIT QKD R10 Software [Internet]. 2016 [cited 2022 March 12]. Available from: https://github.com/axdhill/ait-qkd
Sax R, Boaron A, Boso G, Atzeni S, Crespi A, GrÜnenfelder F, et al. High-speed integrated QKD system [Internet]. arXiv [Preprint]. 2022 [cited 2023 Feb 3]: 12 p. Available from: https://arxiv.org/
abs/2211.11560