Quantum cryptography in a hybrid security model - Département Informatique et Réseaux Access content directly
Theses Year : 2021

Quantum cryptography in a hybrid security model

Cryptographie quantique dans un modèle de sécurité hybride

Abstract

Extending the functionality and overcoming the performance limitation of QKD requires either quantum repeaters or new security models. Investigating the latter option, we introduce the Quantum Computational Timelock (QCT) security model, assuming that computationally secure encryption may only be broken after time much longer than the coherence time of available quantum memories. These two assumptions, namely short-term computational security and noisy quantum storage, have so far already been considered in quantum cryptography, yet only disjointly. A practical lower bound on time, for which encryption is computationally secure, can be inferred from assumed long-term security of the AES256 encryption scheme (30 years) and the value of coherence time in experimental demonstrations of storage and then retrieval of optically encoded quantum information, at single-photon level range from a few nanoseconds to microseconds. Given the large gap between the upper bound on coherence time and lower bound on computational security time of an encryption scheme, the validity of the QCT security model can be assumed with a very high confidence today and also leaves a considerable margin for its validity in the future. Using the QCT security model, we propose an explicit d-dimensional key agreement protocol that we call MUB-Quantum Computational Timelock (MUB-QCT), where a bit is encoded on a qudit state using a full set of mutually unbiased bases (MUBs) and a family of pair-wise independent permutations. Security is proved by showing that upper bound on Eve's information scales as O(1=d). We show MUB-QCT offers: high resilience to error (up to 50% for large d) with fixed hardware requirements; MDI security as security is independent of channel monitoring and does not require to trust measurement devices. We also prove the security of the MUB-QCT protocol, with multiple photons per channel use, against non-adaptive attacks, in particular, proactive MUB measurement where eve measures each copy in a different MUB followed by post-measurement decoding. We prove that the MUB-QCT protocol allows secure key distribution with input states containing up to O(d) photons which implies a significant performance boost, characterized by an O(d) multiplication of key rate and a significant increase in the reachable distance. These results illustrate the power of the QCT security model to boost the performance of quantum cryptography while keeping a clear security advantage over classical cryptography.
L'extension des fonctionnalités et le dépassement des limitations de performances de QKD nécessitent soit des répéteurs quantiques, soit de nouveaux modèles de sécurité. En étudiant cette dernière option, nous introduisons le modèle de sécurité Quantum Computational Timelock (QCT), en supposant que le cryptage sécurisé informatiquement ne peut être rompu qu'après un temps beaucoup plus long que le temps de cohérence des mémoires quantiques disponibles. Ces deux hypothèses, à savoir la sécurité informatique à court terme et le stockage quantique bruité, ont jusqu'à présent déjà été prises en compte en cryptographie quantique, mais seulement de manière disjointe. Une limite inférieure pratique du temps, pour laquelle le cryptage est sécurisé du point de vue informatique, peut être déduite de la sécurité à long terme supposée du schéma de cryptage AES256 (30 ans) et de la valeur du temps de cohérence dans les démonstrations expérimentales de stockage puis de récupération de quantum optiquement codé. l'information, au niveau d'un seul photon, va de quelques nanosecondes à quelques microsecondes. Compte tenu du grand écart entre la borne supérieure du temps de cohérence et la borne inférieure du temps de sécurité de calcul d'un schéma de chiffrement, la validité du modèle de sécurité QCT peut être supposée avec une très grande confiance aujourd'hui et laisse également une marge considérable pour sa validité dans le futur. En utilisant le modèle de sécurité QCT, nous proposons un protocole d'accord de clé explicite à dimension d que nous appelons MUB-Quantum Computational Timelock (MUB-QCT), où un bit est codé sur un état qudit en utilisant un ensemble complet de bases mutuellement impartiales (MUB ) et une famille de permutations indépendantes par paires. La sécurité est prouvée en montrant que la borne supérieure sur les échelles d'information d'Eve est O(1=d). Nous montrons que MUB-QCT offre : une haute résilience aux erreurs (jusqu'à 50 % pour les grands d) avec des exigences matérielles fixes ; La sécurité MDI car la sécurité est indépendante de la surveillance des canaux et ne nécessite pas de faire confiance aux appareils de mesure. Nous prouvons également la sécurité du protocole MUB-QCT, avec plusieurs photons par utilisation de canal, contre les attaques non adaptatives, en particulier la mesure MUB proactive où eve mesure chaque copie dans un MUB différent suivi d'un décodage post-mesure. Nous prouvons que le protocole MUB-QCT permet une distribution sécurisée des clés avec des états d'entrée contenant jusqu'à O(d) photons, ce qui implique une amélioration significative des performances, caractérisée par une multiplication O(d) du taux de clé et une augmentation significative de la distance accessible. Ces résultats illustrent la puissance du modèle de sécurité QCT pour augmenter les performances de la cryptographie quantique tout en gardant un net avantage de sécurité par rapport à la cryptographie classique.
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tel-03634698 , version 1 (07-04-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03634698 , version 1

Cite

Nilesh Vyas. Quantum cryptography in a hybrid security model. Cryptography and Security [cs.CR]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAT049⟩. ⟨tel-03634698⟩
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