量子密码研究现状与展望

量子密码是量子力学与信息科学相结合的产物。与基于数学理论的经典密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息．根据量子力学的两条基本原理——“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制定理”，以量子力学为理论基础的量子密码具有不可复制性，即使被截取，也会因为截获（测量）过程改变量子状态，使得截获方得到的信息变得毫无意义。因此，量子密码是目前非常安全的密码。本文通过与经典密码的比较，讲述了量子密钥生成的基本原理，介绍了量子密码在国内外的发展以及其所面临的技术挑战和经济性问题，最后展望了其发展前景。     

面向格密码的能耗分析攻击技术

量子计算的飞速发展对传统密码的安全性带来巨大挑战,Peter Shor提出的量子计算模型下分解整数和计算离散对数的多项式时间算法对基于传统数论难题的密码系统构成了威胁.美国国家标准与技术研究院(NIST)于2016年开始征集后量子公钥密码算法标准,其中,大多基于格、基于哈希、基于编码、基于多变量这四种密码体制,而基于格的密码体制在其公钥尺寸、计算效率和安全性方面具有更好的平衡性,所占比例最大.然而,格密码的实现在实际环境中易遭受能耗分析攻击(Power Analysis Attacks).能耗分析攻击是利用密码设备运行过程中产生的功耗、电磁等信息,攻击者建立这些旁路信息与密码算法中间值之间的联系从而恢复密钥等敏感信息.自从能耗分析攻击出现以来,该类攻击手段严重威胁了密码系统的安全.随着量子计算的发展,后量子密码的安全性日益成为密码研究的热点,特别地,近期NIST公布了最新轮的后量子密码算法,作为占据比例最多的格密码,其侧信道安全性也受到了学术界的广泛关注.本文针对格密码的能耗分析攻击技术从攻击模型、攻击目标、攻击条件开展研究,分析了面向格密码的攻击原理、格密码的各个算子的侧信道安全性,...     

后量子密码算法的侧信道攻击与防御综述

为了解决量子计算对公钥密码安全的威胁,后量子密码成为密码领域的前沿焦点研究问题.后量子密码通过数学理论保证了算法的安全性,但在具体实现和应用中易受侧信道攻击,这严重威胁到后量子密码的安全性.基于美国NIST第2轮候选算法和中国CACR公钥密码竞赛第2轮的候选算法,针对基于格、基于编码、基于哈希、基于多变量等多种后量子密...     

量子密码安全性分析

文章从理论和实际应用两个方面对量子密码的安全性进行了阐述,介绍了量子密钥分发的基本过程和量子密码的无条件安全性原理,针对量子密码在实际环境中的安全性,分析了粒子数分裂攻击策略及相应的一些改进策略。     

后量子密码迁移趋势下应用于区块链的公钥密码安全

自从发现量子算法能够高效求解现今公钥密码依赖的数学困难问题,能够抵抗量子计算攻击的后量子密码算法成为研究热点,国际上对后量子密码算法的标准化工作也已相继启动.现有信息系统为保证自身安全,势必需要迁移至新一代抗量子公钥加密算法,迁移过程存在巨大的挑战与机遇.对迁移过程的研究已在美国、欧盟等国家和地区广泛推动开展、成为趋势.区块链的安全性依赖于现代密码学,特别是公钥签名技术,因此这一迁移也是区块链长效安全的必经之路.本文介绍了后量子密码迁移策略,讨论了现有区块链所应用的公钥密码如何向后量子密码进行迁移,提出下一步研究方向.     

基于IBM量子计算云服务的量子傅里叶变换实现

Shor算法能够相对经典大整数分解算法实现指数加速,从而直接威胁到了RSA密码体制,而量子傅里叶变换是Shor算法中的一个关键变换,也能够相对经典离散傅里叶变换实现指数加速,从而引起了广泛关注。主要针对量子傅里叶变换的实现方案进行研究。首先介绍了IBM公司量子计算云服务的编程基础,随后设计了3比特量子傅里叶变换的量子线路,最后在IBM公司5超导量子比特的量子计算芯片上进行了实验验证。     

基于EPR纠缠对的量子加密技术研究

基于量子物理原理的量子密码术已被证明是保密通信中密钥安全分配的有效手段。本文介绍了量子密码的基本原理,介绍了实现量子加密的几种方案,并主要研究了基于EPR纠缠对的密钥分配机制,还讨论了量子密码通信的历史发展和指出现存在的问题以及未来的发展前景。     

迈向量子安全：后量子密码迁移研究与思考

量子科技的飞速发展使得大规模量子计算机的实现只是时间问题,一些量子算法的提出(如Shor、Grover、Simon)使得对现代密码体制(公钥密码和对称密码)实施量子计算攻击成为可能,从而严重威胁经典密码的安全。为提升密码系统抵抗量子计算攻击的能力,以格密码为代表的后量子密码(PQC)算法得到广泛关注和研究。从经典密码算法到PQC的迁移是密码系统实现量子安全的有效路径。首先,该文调研了NIST,ETSI及其他组织和学者提出的PQC迁移路线,总结起来,就是以NIST为代表的替换方案、以ETSI为代表的二次加密方案以及其他混合加密方案三种迁移路线;其次,针对PQC迁移过程,从迁移目标、迁移准备、迁移实施三个环节介绍了迁移策略;此外,为了促进PQC迁移的顺利高效实施,提出了需要考虑的迁移评估要素,包括资源投入、时间成本、业务风险、维护成本、用户体验、商业影响六个方面;最后,提出PQC迁移下一步研究方向。总之,文中工作将为PQC迁移的方案设计和高效实施提供有益参考。     

基于RLWE的后量子认证密钥交换协议

量子计算机的迅速发展使得基于经典数论困难问题建立的现代公钥密码体制安全性面临严峻的威胁,设立和部署可抵御量子计算机攻击的后量子公钥密码系统势在必行.基于环上误差学习问题并使用加密的构造方式,设计了一种后量子认证密钥交换(authenticated key exchange,AKE)协议.首先利用密文压缩技术,提出了一个IND-CPA安全的公钥加密方案.之后在此方案的基础上,使用Fujisaki-Okamoto变换技术,得到了一种IND-CCA安全的密钥封装机制.通过隐式认证方式,构造了一个后量子AKE协议.此协议在标准eCK模型下可证明安全并可以达到弱的完美前向安全.采用LWE测试器进行了安全性测试,该协议安全度为313 b.与其他基于格上困难问题设计的AKE协议相比,安全度较高且通信量较低,是一种更加简洁高效的后量子AKE协议.     

基于GHZ的多用户量子网络密钥传输协议

提出了在一个多用户量子网络中，基于3个粒子最大纠缠态GHZ的密钥传输协议。这个量子密钥传输协议在通信节点和控制中心之间通过多个GHZ对构建安全的密码分配系统。与经典的量子密码术相比，理论分析证明，如果存在窃听者Eve，则他为获得有用的信息会不断向网络引入错误。该网络的节点和控制中心必然发现Eve，从而保证了网络密钥的安全性。     

Quantum security analysis of a lattice-based oblivious transfer protocol

Because of the concise functionality of oblivious transfer (OT) protocols, they have been widely used as building blocks in secure multiparty computation and high-level protocols. The security of OT protocols built upon classical number theoretic problems, such as the discrete logarithm and factoring, however, is threatened as a result of the huge progress in quantum computing. Therefore, post-quantum cryptography is needed for protocols based on classical problems, and several proposals for post-quantum OT protocols exist. However, most post-quantum cryptosystems present their security proof only in the context of classical adversaries, not in the quantum setting. In this paper, we close this gap and prove the security of the lattice-based OT protocol proposed by Peikert et al. (CRYPTO, 2008), which is universally composably secure under the assumption of learning with errors hardness, in the quantum setting. We apply three general quantum security analysis frameworks. First, we apply the quantum lifting theorem proposed by Unruh (EUROCRYPT, 2010) to prove that the security of the lattice-based OT protocol can be lifted into the quantum world. Then, we apply two more security analysis frameworks specified for post-quantum cryptographic primitives, i.e., simple hybrid arguments (CRYPTO, 2011) and game-preserving reduction (PQCrypto, 2014).     

抗量子可信计算安全支撑平台技术

随着科技的发展,量子计算机大规模部署逐渐变为可能,基于部分计算困难问题的公钥密码算法将被量子算法有效求解.传统的可信硬件芯片如TCM/TPM等由于广泛使用了RSA、SM3、ECC等公钥密码体制,其安全性将受到严重影响;而绝大部分具有抗量子能力的密码算法并不适配现有TCM/TPM芯片有限的计算能力,因此需要对抗量子可信计...     

Universally composable oblivious transfer from ideal lattice

As a fundamental cryptographic primitive, oblivious transfer (OT) is developed for the sake of efficient usability and combinational feasibility. However, most OT protocols are built upon some quantum non-immune cryptosystems by assuming the hardness of discrete logarithm or factoring problem, whose security will break down directly in the quantum setting. Therefore, as a subarea of postquantum cryptography, lattice-based cryptography is viewed as a promising alternative and cornerstone to support for building post-quantum protocols since it enjoys some attractive properties, such as provable security against quantum adversaries and lower asymptotic complexity. In this paper, we first build an efficient 1-out-of-2 OT protocol upon the hardness of ring learning with errors (RLWE) problem, which is at least as hard as some worst-case ideal lattice problems. We show that this 1-out-of-2 OT protocol can be universally composable and secure against static corruptions in the random oracle model. Then we extend it to a general case, i.e., 1-out-of-N OT with achieving the same level of security. Furthermore, on the basis of the above OT structure, we obtain two improved OT protocols using two improved lattice-based key exchange protocols (respectively relying on the RLWE problem and learning with errors (LWE) problem, and both achieving better efficiency by removing the Gaussian sampling for saving cost) as building blocks. To show that our proposed OT protocol indeed achieves comparable security and efficiency, we make a comparison with another two lattice-based OT protocols in the end of the paper. With concerning on the potential threat from quantum computing and expecting on the practical use of OT with high efficiency, an efficient post-quantum OT protocol is pressing needed. As shown in this paper, our proposed OT protocols may be considered as post-quantumOT candidates since they can both preserve provable security relying on lattice problems and enjoy practical efficiency.     

后量子加密算法的硬件实现综述

现有的密码体制大多基于RSA、ECC等公钥密码体制,在信息安全系统中实现密钥交换、数字签名和身份认证等,有其独特的优势,其安全性分别依赖于解决整数分解问题和离散对数问题的难度。近年来,随着量子计算机的快速发展,破解上述数学问题的时间大幅减少,这将严重损害数字通信的安全性、保密性和完整性。与此同时,一个新的密码学领域,即后量子密码学应运而生,基于它的加密算法可以对抗量子计算机的攻击,因此成为近年来的热点研究方向。2016年以来,NIST向世界各地的研究者征集候选抗量子密码学方案,并对全部方案进行安全性、成本和性能的评估,最终通过评估的候选方案将被标准化。本文比较了NIST后量子密码学算法征集(第2轮、第3轮)的各个方案,概述目前后量子加密算法的主要实现方法:基于哈希、基于编码、基于格和基于多变量,分析了各自的安全性,签名参数及计算量的特点以及后期的优化方向。PQC算法在硬件实现上的挑战其一是算法规范的数学复杂性,这些规范通常是由密码学家编写的,关注的重点是其安全性而非实现的效率,其二需要存储大型公钥、私钥和内部状态,这可能会导致不能实现真正的轻量级,从而降低硬件实现的效率。本文重点介绍了目前后量子加密算法的硬件实现方式,包括PQC硬件应用程序编程接口的开发,基于HLS的抽象实现和基于FPGA/ASIC平台的硬件实现。PQC方案的硬件化过程中不仅需要算法的高效实现,同时需要抵抗针对硬件结构的侧信道攻击。侧信道攻击可以通过来自目标设备泄露的相关信息来提取密码设备的密钥。本文讨论了后量子加密算法在具体实现和应用中受到侧信道攻击类别和防御对策。     

Unconditionally secure cryptosystems based on quantum cryptography

Most modern cryptographic studies design cryptosystems and algorithms using mathematical concepts. In designing and analyzing cryptosystems and protocols, mathematical concepts are critical in supporting the claim that the intended cryptosystem is secure. Most early cryptographic algorithms are based either on factorization or on discrete logarithm problem. Such systems generally adopt rather simple mathematics, and, therefore, need extensive secondary index computation. This study discusses quantum cryptosystems, protection of system security, and optimization of system efficiency. Quantum cryptography detects intrusion and wiretap. In quantum mechanics, a wiretap is neither external nor passive; rather it modifies its entity based on the internal component of the system. The status of the quantum system changes once a wiretap is detected. Hence, only the designer of the system can discover the quantum status of the system; an eavesdropper can neither determine the quantum state nor duplicate the system. The quantum cryptosystem can achieve unconditional security, and thus guarantees secure communication.     

Aigis密钥封装算法多平台高效实现与优化

量子计算技术快速发展带来的新挑战使得后量子密码(post-quantum cryptography, PQC)成为当前密码学界研究热点.基于格的密码方案因其安全高效的特性,已经成为后量子公钥密码的主流之一.Aigis密钥封装算法(Aigis-enc)是我国学者自主设计的基于模格上非对称错误学习(A-MLWE)问题的后量子密码算法,是中国密码学会举办的全国密码算法设计竞赛公钥密码算法一等奖获奖算法之一.为了应对量子攻击,维护国家网络空间的长远安全,为未来国家后量子密码算法标准的制定和实际部署贡献力量,对我国自行研发的优秀后量子密码算法进行优化具有重要意义.工作重点关注Aigis-enc算法在不同平台的实现优化,包含高性能平台的快速并行实现与嵌入式低功耗平台的紧凑实现.具体而言,运用单指令多数据流(single instruction multiple data, SIMD)指令,充分优化了Aigis-enc现有AVX2实现,并提供了其首个ARM Cortex-M4平台的轻量级紧凑实现.实现包含4个关键优化点:降低Montgomery约减与Barrett约减汇编指令数目,提升了约减效率;使用裁剪层数的数论变换并优化指令流水调度,加速多项式乘法运算并减少了预计算表存储需求;提供了多项式序列化与反序列化的并行汇编指令实现,加快了编码解码与加解密过程;结合on-the-fly计算与空间复用优化算法存储空间.实验结果表明：提出的优化技术在8核Intel Core i7处理器上可将Aigis-enc算法原始AVX2实现提升25%,且大幅减少了其在ARM Cortex-M4平台的预计算表存储、代码尺寸与运行堆栈占用,对算法的实际应用有重要现实意义.     

CRYSTAL-KYBER硬件设计优化空间探索

公钥密码学对全球数字信息系统的安全起着至关重要的作用。然而,随着量子计算机研究的发展和Shor算法等的出现,公钥密码学的安全性受到了潜在的极大的威胁。因此,能够抵抗量子计算机攻击的密码算法开始受到密码学界的关注,美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)发起了后量子密码(Post-quantum cryptography,PQC)算法标准全球征集竞赛。在参选的算法中,基于格的算法在安全性、公钥私钥尺寸和运算速度中达到了较好的权衡,因此是最有潜力的后量子加密算法体制。而CRYSTALS-KYBER作为基于格的密钥封装算法(Key encapsulation mechanism,KEM),通过了该全球征集竞赛的三轮遴选。对于后量子密码算法,算法的硬件实现效率是一个重要评价指标。因此,本文使用高层次综合工具(High-level synthesis,HLS),针对CRYSTALS-KYBER的三个主模块(密钥生成,密钥封装和密钥解封装),在不同参数集下探索了硬件设计的实现和优化空间。作为一种快速便捷的电路设计方法,HLS可以用来对不同算法的硬件实现进行高效和便捷的探索。本文利用该工具,对CRYSTALS-KYBER的软件代码进行了分析,并尝试不同的组合策略来优化HLS硬件实现结果,并最终获得了最优化的电路结构。同时,本文编写了tcl-perl协同脚本,以自动化地搜索最优优化策略,获得最优电路结构。实验结果表明,适度优化循环和时序约束可以大大提高HLS综合得到的KYBER电路性能。与已有的软件实现相比,本文具有明显的性能优势。与HLS实现工作相比,本文对Kyber-512的优化使得封装算法的性能提高了75%,解封装算法的性能提高了55.1%。与基准数据相比,密钥生成算法的性能提高了44.2%。对于CRYSTALS-KYBER的另外两个参数集(Kyber-768和Kyber-1024),本文也获得了类似的优化效果。     

基于BRLWE的物联网后量子加密技术研究

随着量子计算机的发展,现有的公钥加密体系无法保障物联网通信的安全性。后量子加密算法所基于的数学难题目前还不能被量子计算机攻破,因此具备良好的抗量子安全性,尤其是基于格的公钥密码体制,有望成为下一代公钥加密体系的主流。然而,后量子加密算法存在计算量大、存储空间大等问题,如果将其直接应用于物联网终端的轻量级设备中,会降低物联网环境的通信效率。为了更好地保护物联网通信安全,保障物联网通信效率,提出了Sym-BRLWE(symmetrical binary RLWE)后量子加密算法。该算法在基于二进制环上容错学习(BRLWE,binary ring-learning with errors)问题的加密算法的基础上,改进了离散均匀分布上的随机数选取方式和多项式乘法的计算方式,从而满足物联网通信的效率要求,增加了加密安全性防护性措施以保证算法在取得高效率的同时具有高安全性,更加适应于物联网轻量设备。安全性分析表明,Sym-BRLWE加密算法具有高安全性,从理论上能够抵抗格攻击、时序攻击、简单能量分析和差分能量分析;仿真实验结果表明,Sym-BRLWE加密算法具有通信效率高的优势,加密解密效率高且密钥尺寸小,在模拟8 bit微型设备的二进制运算环境下,选择140 bit的抗量子安全级别参数时,相较于其他已有的基于BRLWE的加密算法,同等加密条件下Sym-BRLWE加密算法能够在加密总时间上减少30%~40%。