量子読み出し

量子読み取りは、オブジェクトの真正性を検証する方法です。オブジェクトがコピーまたは物理的にエミュレートされない限り、この方法は安全です。

オブジェクトを認証する場合、2 つのケースを区別できます。

• ハンズオン認証: オブジェクトは検証者の完全な管理下にあります。検証者は、オブジェクトの種類、サイズ、重量などが正しいかどうかを確認できます。たとえば、本物の歯と歯を表すホログラムの違いを確認できます。
• ハンズオフ認証: 検証者は完全な制御権を持ちません。たとえば、視線は通っていますが、オブジェクトに触れることはできません。

実際のシナリオでは、さまざまな種類の物理的に複製不可能な関数(PUF) が優れた認証トークンとして機能します。物理的に複製不可能なことと、検証者のなりすまし検出機能を組み合わせると、攻撃者が PUF クローンとして通るオブジェクトを作成することは非常に困難になります。ただし、実際の認証では、PUF の所有者が PUF の制御を放棄する必要がありますが、これは、検証者が詐欺師であるリスクがある場合は特に受け入れられない可能性があります。

ただし、ハンズオフ シナリオでは、信頼性の高い認証を実現するのがはるかに困難です。各 PUF のチャレンジ レスポンス動作は公開されていると想定するのが賢明です (攻撃者は本物の PUF をしばらく入手し、発見されることなくそれに対して多くの測定を実行する可能性があります)。これは、セキュリティ研究で慣例となっている「最悪のケース」の想定です。ハンズオン ケースでは問題ありませんが、ハンズオフ ケースでは、なりすましが実際の危険になることを意味します。たとえば、ガラス ファイバーを介した光 PUFの認証を想像してください。攻撃者は PUF を持っていませんが、PUF についてすべてを知っています。攻撃者はファイバーを介してチャレンジ (レーザー光) を受け取ります。物理的なオブジェクトから光を散乱させる代わりに、次の操作を行います。

1. 入射波面を測定する。
2. データベース内で対応する応答を検索する。
3. 正しい応答状態のレーザー光を準備し、検証者に送り返します。

この攻撃は「デジタルエミュレーション」として知られています。

長い間、ハンズオフシナリオでのスプーフィングは解決できない根本的な問題であるように思われてきました。

リモート オブジェクト認証の従来のアプローチは、改ざん防止機能を備えた信頼できるリモート デバイスでオブジェクトをプローブするなど、何らかの方法でハンズオン環境を強制することです。このアプローチの欠点は、(a) コストがかかることと、(b) ますます巧妙化する攻撃に対するセキュリティのレベルが不明であることです。

ハンズオフの場合のスプーフィングの問題は、量子物理学の 2 つの基本的な情報理論的特性を使用して解決できます。

1. 未知の状態にある単一の量子は複製することができない。^[1]
2. 量子状態が測定されると、そこに含まれる情報の大部分が破壊されます。

これらの原則に基づいて、以下のスキームが提案されました。^[2]

1. 登録。通常の PUF 登録。量子物理学は必要ありません。登録データは公開されているとみなされます。
2. チャレンジ: ランダムな状態で単一の量子 (光子など) を準備し、PUF に送信します。
3. 応答。量子は PUF と相互作用し (例: コヒーレント散乱)、状態のユニタリ変換が生じます。
4. 検証。量子は検証者に返されます。検証者は応答状態がどうあるべきかを正確に把握しています。この知識により、「はい/いいえ」の検証測定を実行できます。

誤承認確率を指数関数的に下げるために、手順 2 ～ 4 を複数回繰り返します。

重要な点は、攻撃者は実際のチャレンジが何であるかを判断できないことです。なぜなら、その情報は「壊れやすい」量子状態にパッケージ化されているからです。攻撃者がチャレンジ状態を測定して調査しようとすると、情報の一部が破壊されます。攻撃者はチャレンジ レスポンス データベースのどこを調べればよいか正確にはわからないため、正しいレスポンスを確実に生成することはできません。

文献では、標準的な波面成形とホモダイン検出技術を利用したPUFの連続変数量子認証も提案されている。^[3]

同じ技術を使用して、物理的に複製不可能な機能を備えた暗号化コミットメントの光学方式も文献で提案されています。^[4]

このスキームは、以下の条件が満たされた場合にのみ安全です。

• PUF の物理的な複製不可能性。
• 攻撃者はチャレンジ量子に対して任意のユニタリ変換を実行することはできません (つまり、PUF の物理的なエミュレーションは実行不可能であると考えられます)。

多重散乱光学システムでは、上記の要件は実際に満たすことができます。

PUF の量子読み出しは、デジタル エミュレーションに対しては無条件に安全ですが、物理的なクローニングと物理的なエミュレーションに対しては条件付きで安全です。

PUFの量子読み出しにより

• オブジェクトの側に信頼できるハードウェアがなくても、ハンズオフ オブジェクト認証を実行できます。
• 事前に共有された秘密や共有されたエンタングルメント粒子のない量子通信チャネルの認証。認証は公開情報に基づいています。

アリスとボブが、過去にデータや物質を交換したことがない状態で、アドホックに量子鍵配布を行うことを希望しているとします。両者とも登録済みの光 PUF を持っています。信頼できるソースから互いの PUF 登録データを検索します。両方の光 PUFを介して量子鍵配布を実行します。プロトコルを少し変更するだけで、量子鍵配布と双方向認証が可能になります。鍵配布のセキュリティは無条件ですが、認証のセキュリティは上記の 2 つの仮定に条件付きです。

チャレンジ推定攻撃の場合、セキュリティは証明されています。チャレンジ推定攻撃では、攻撃者は測定を使用してできる限り最善の方法でチャレンジを決定しようとします。n = 1の場合の証明^[5] 、 コヒーレント状態の直交測定の場合の証明 ^[6] 、および量子の固定数n>1の場合の証明があります。 ^[7] 次元Kおよびn量子の場合の結果は、1ラウンドでの誤受理確率が(n+1)/(n+K)を超えることができないということです。

エミュレーション攻撃に対するPUFの連続変数量子認証の安全性は、ホレボの境界とファノの不等式^[8] 、および中間者攻撃^{[9]の枠組みでも検討されている。}

上記のセキュリティ証明はすべて、改ざん防止認証設定を前提としていますが、リモート認証シナリオではこれを正当化するのは困難です。

スペックルベースの光PUFの量子読み出しは研究室で実証されています。^{[10] [11]}この実現は量子セキュア認証という名前で知られています。

^{このプロトコルは、参考文献[3]}のプロトコルと同様に、量子状態の伝送に関連する実用的な問題により、短距離（< 10 km）に制限されています。古典的な設定では、チャレンジレスポンスパーのデータベースのエントリを暗号化することで、任意の距離で動作し、古典的な敵と量子的な敵の両方（エミュレーション攻撃を含む）に対するセキュリティを提供するプロトコルを構築できます。^[12]

• http://theconversation.com/quantum-physics-can-fight-fraud-by-making-card-verification-unspoofable-35632