量子読み出し

ハンズオフの場合のなりすまし問題は、量子物理学の2つの基本的な情報理論的性質を用いて解決できる。

1. 未知の状態にある単一の量子は複製できない。^{[ 1 ]}
2. 量子状態を測定すると、その状態に含まれる情報の大部分が失われる。

これらの原則に基づいて、以下の計画が提案された。^{[ 2 ]}

1. 登録手続き。通常のPUF登録手続きです。量子物理学の知識は必要ありません。登録データは公開情報として扱われます。
2. 課題：単一の量子（例えば光子）がランダムな状態に準備されます。それはPUFに送られます。
3. 応答。量子はPUFと相互作用し（例えばコヒーレント散乱）、その結果、状態のユニタリ変換が生じる。
4. 検証。量子データは検証者に返送される。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る。この知識に基づいて、「はい／いいえ」の検証測定を行うことができる。

手順2～4を複数回繰り返すことで、誤認確率を指数関数的に低減します。

重要な点は、攻撃者は実際のチャレンジが何であるかを特定できないということである。なぜなら、その情報は「脆弱な」量子状態に格納されているからだ。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てしまう。チャレンジ・レスポンス・データベースのどこを探せばよいのか正確に分からないため、攻撃者は確実に正しいレスポンスを生成することができない。

文献では、標準的な波面整形とホモダイン検出技術に基づく、PUFの連続変数量子認証も提案されている。^{[ 3 ]}

同じ技術を用いて、物理的に複製不可能な関数を持つ暗号コミットメントのための光学的スキームも文献で提案されている。^{[ 4 ]}

この計画は、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クォンタム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不可能であるはずです）。

多重散乱光学系においては、上記の要件は実際に満たすことができる。

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、物理的なクローン作成および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

• 対象物の側に信頼できるハードウェアを必要とせず、ハンズフリーで対象物を認証する。
• 事前に共有された秘密情報や共有されたもつれ粒子を用い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行われる。

アリスとボブが、過去にデータや物質の交換を一切行わずに、アドホックな形で量子鍵配送を行いたいとします。二人はそれぞれ登録済みの光PUFを持っています。信頼できる情報源から互いのPUF登録データを調べ、両方の光PUFを通して量子鍵配送を実行します。プロトコルを少し変更することで、量子鍵配送と双方向認証を実現できます。鍵配送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つの前提条件に依存します。

セキュリティは、攻撃者が測定値を使用してチャレンジをできる限り正確に決定しようとするチャレンジ推定攻撃の場合に証明されています。n=1 の場合^{[ 5 ]} 、 コヒーレント状態の直交測定の場合 ^{[ 6 ]} 、および固定数の量子 n>1 の場合 ^{[ 7 ]}の証明があります 。次元 K と 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) を超えることはないということです。

PUFの連続変数量子認証のエミュレーション攻撃に対する安全性は、Holevoの限界とFanoの不等式^{[ 8 ]} 、および中間者攻撃^{[ 9 ]}の枠組みでも取り上げられています。

上記のセキュリティ証明はすべて、改ざん防止機能を備えた認証設定を前提としているが、リモート認証のシナリオではそれを正当化するのは難しい。

スペックルベースの光PUFの量子読み出しは実験室で実証されている。^{[ 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る。

このプロトコルは、参照されているプロトコル^{[ 3 ]}と同様に、量子状態の伝送に伴う実際的な問題のため、短距離（10  km未満）に限定されています。古典的な設定では、チャレンジ・レスポンスペア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、古典的な攻撃者と量子攻撃者（エミュレーション攻撃を含む）の両方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 ]}