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后量子对称密码的研究现状与发展趋势

电子与信息学报 2020年第2期42卷 287-294页

作者：眭晗吴文玲中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室可信计算与信息保障实验室北京100190 密码科学技术国家重点实验室北京100878

经典对称密码算法的安全性在量子环境下面临严峻的挑战,促使研究者们开始探寻在经典和量子环境下均具有安全性的密码算法,后量子对称密码研究应运而生。该领域的研究目前仍处于初级阶段,尚未形成完整的体系。该文对现有的研究成果进行归... 详细信息

经典对称密码算法的安全性在量子环境下面临严峻的挑战,促使研究者们开始探寻在经典和量子环境下均具有安全性的密码算法,后量子对称密码研究应运而生。该领域的研究目前仍处于初级阶段,尚未形成完整的体系。该文对现有的研究成果进行归类,从量子算法、密码分析方法、安全性分析、可证明安全4个方面对后量子对称密码领域的研究现状进行介绍。在分析研究现状的基础上,对后量子对称密码的发展趋势进行预测,为对称密码在量子环境下的分析和设计提供参考。

关键词：对称密码量子算法后量子密码分析可证明安全

基于RLWE问题的后量子口令认证密钥交换协议

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电子学报 2021年第2期49卷 260-267页

作者：李子臣谢婷张卷美北京印刷学院北京102600 北京电子科技学院北京100070 西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710071

基于口令的认证密钥交换协议在现代通信网络中有很强的实用性.量子技术的迅速发展使得传统公钥密码体制的安全性面临严峻的形势,基于格理论构造密码系统已成为当前后量子密码研究的热点.本文基于格理论环上误差学习(RLWE)问题,使用Peik... 详细信息

基于口令的认证密钥交换协议在现代通信网络中有很强的实用性.量子技术的迅速发展使得传统公钥密码体制的安全性面临严峻的形势,基于格理论构造密码系统已成为当前后量子密码研究的热点.本文基于格理论环上误差学习(RLWE)问题,使用Peikert式误差协调机制构造了一个C/S模式下的口令认证密钥交换协议(PAKE),设置了合理的参数保证双方以显著概率得到相同的会话密钥,并使用Java在Eclipse平台上进行了此协议的模拟实现.协议在C/S模式的PAKE安全模型下可证明安全,可抵御量子攻击,与现有的基于格理论设计的PAKE协议相比,通信量较低并且在安全度上有较强的优势,是一种简洁高效的后量子口令认证密钥交换协议.

关键词：认证密钥交换环上误差学习问题格后量子

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基于RLWE的后量子认证密钥交换协议

计算机研究与发展 2019年第12期56卷 2694-2701页

作者：李子臣谢婷张卷美徐荣华北京印刷学院北京102600 西安电子科技大学通信工程学院西安710071 北京电子科技学院北京100018

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(a... 详细信息

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.

关键词：格后量子认证密钥交换协议环上误差学习问题 eCK模型

基于环上误差学习问题的新型后量子认证密钥交换协议

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计算机应用 2018年第8期38卷 2243-2248,2273页

作者：李子臣谢婷蔡居良张筱薇西安电子科技大学通信工程学院西安710071 北京印刷学院教务处北京102600 北京电子科技学院通信工程系北京100070

针对量子计算机技术的迅速发展使得传统公钥密码体制的安全性面临严重威胁的现实性问题,提出一种新型的基于环上误差学习(RLWE)问题的后量子认证密钥交换协议。协议通过使用Peikert式误差协调机制,双方通过计算可直接得到均匀分布的共... 详细信息

针对量子计算机技术的迅速发展使得传统公钥密码体制的安全性面临严重威胁的现实性问题,提出一种新型的基于环上误差学习(RLWE)问题的后量子认证密钥交换协议。协议通过使用Peikert式误差协调机制,双方通过计算可直接得到均匀分布的共享比特值,从而使得通信双方得到相同的会话密钥。使用理想格上的解码基对协议正确性进行了分析,并设置合理参数从而保证协议双方以显著概率得到相同密钥值。该协议在BR(BellareRogaway)模型下可证明安全并达到弱的完美前向安全性。协议安全性归约为格上RLWE困难问题,可抵御量子攻击。与现有基于RLWE问题设计的认证密钥交换协议相比,该协议中参数值模数的大小由亚指数级降低至多项式级,相应计算量和通信量显著减小,是一种更加简洁高效的后量子认证密钥交换协议。

关键词：认证密钥交换协议环上误差学习问题 BR模型格后量子

光学系统中后量子关联及其蒸馏的模拟方案设计

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光学系统中后量子关联及其蒸馏的模拟方案设计

作者：储文静安徽大学

学位级别：硕士

非局域关联是一种重要的物理资源,量子非局域性是量子世界的本质特征。Bell不等式是区分量子理论和隐变量模型的基本判据,且在最近的Bell不等式实验验证中,人们已经能够同时关闭三个主要的实验漏洞。然而Bell不等式并不是一个充要判据,... 详细信息

非局域关联是一种重要的物理资源,量子非局域性是量子世界的本质特征。Bell不等式是区分量子理论和隐变量模型的基本判据,且在最近的Bell不等式实验验证中,人们已经能够同时关闭三个主要的实验漏洞。然而Bell不等式并不是一个充要判据,其理论研究还是当前国际学术研究的热点。同时,对于超量子关联(或者后量子关联)的研究也将加深人们对量子理论的理解,并有可能导致新型信息处理方式的出现。本论文主要研究如何在光学系统中模拟后量子关联及其蒸馏。本篇论文的具体研究内容和所取得的成果包括如下三个方面:首先,我们在光学系统中设计了一个模拟Popescu-Rohrlich(PR)盒子的物理方案。PR盒子的概率分布能最大限度地违反CHSH(Clauser-Home-Shimony-Holt)不等式,即其CHSH值达到最大值4,远超量子力学系统中能够观测到的最大CHSH值2(?)。众所周知,通过后选择待测状态可打开Bell检测实验中的公平抽样漏洞,进而会导致后量子关联。在这篇论文中,我们对测量后的结果进行了选择,也打开了公平抽样漏洞,从而模拟了后量子关联。因为后选择违背信息因果律,也就打开了局域漏洞,这意味着对测量结果进行后选择会同时导致公平抽样漏洞和局域漏洞,因此我们称之为Bell检测实验中的综合漏洞。本方案就是利用该后选择导致的综合漏洞来模拟PR盒子,同时该方案也说明该综合漏洞是为什么后量子关联和量子力学不相容并且不存在于自然界中的一个可能解释;其次,我们提出了在后量子范围内模拟非局域蒸馏的物理方案。通过对适当前选择和后选择的偏振纠缠光子对所模拟盒子的输出结果实施基于分束器的模2加操作,我们可以从两个弱的后量子非局域关联盒子中获得一个强的后量子非局域关联盒子。该过程的成功概率为1,且实验器件的不完美性仅会对输出盒子的质量产生轻微影响。最后,我们在光学系统中提出了模拟自适应性非局域蒸馏的物理方案。自适应非局域蒸馏是指第二个非局域盒子的输入由第一个非局域盒子的输出结果决定,而将两个盒子的输出结果的模2加输出作为蒸馏后盒子的输出。在渐近极限下,利用该方案可以将任意关联非局域盒子蒸馏到最大非局域盒子,也就是PR盒子。而自适应非局域蒸馏方案模拟的主要障碍是如何在量子系统中模拟非局域盒子并得到每个盒子的输出,而且不破坏其量子态。这里我们选取经历适当前选和后选的偏振纠缠光子对模拟非局域盒子,利用基于标准的量子隐形传态过程实现的量子非破坏性测量(QND)可以实现在不破坏量子态的前提下给出第一个盒子的输出结果。上述方案对模拟后量子范围非局域性的实验研究以及如何精确区分物理上可实现的后量子关联与非物理关联提供了一个可行的工具。

关键词：量子非局域非局域蒸馏后量子后选择非破坏测量

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基于多变量公钥密码系统的环机密交易协议

计算机科学 2023年第S1期50卷 746-751页

作者：洪璇袁梦玲上海师范大学信息与机电工程学院上海200234 上海师范大学上海智能教育大数据工程技术研究中心上海200234

与比特币类似,门罗币也是一种加密货币。最初的门罗币是基于CryptoNote协议,该协议使用环签名和一次密钥来隐藏交易双方的真实身份,但是具体的交易金额却暴露在区块链中,存在一定的安全风险。为了解决这个安全漏洞,Shen Noether提出了... 详细信息

与比特币类似,门罗币也是一种加密货币。最初的门罗币是基于CryptoNote协议,该协议使用环签名和一次密钥来隐藏交易双方的真实身份,但是具体的交易金额却暴露在区块链中,存在一定的安全风险。为了解决这个安全漏洞,Shen Noether提出了环机密交易协议(RingCT),利用一个随机数来隐藏真正的交易金额。目前门罗币社区使用的环机密交易协议是基于离散对数难题的。然而随着量子计算机的发展,基于传统数论问题的方案将变得不再安全,后量子方案是一个很好的替代选择。多变量公钥密码学是后量子密码的主要研究方向之一,并且相较于其他后量子密码方案,基于多变量的签名方案往往在签名和验证过程中计算速度快、所需计算资源少,具有很好的研究价值。在多变量环签名方案的基础上,设计了一个基于多变量的环机密交易协议。该协议利用多变量签名方案公钥的加法同态性实现了对交易金额的承诺,并对此承诺进行环签名,通过随机选择区块链中的用户公钥成环,来混淆交易中实际的交易参与者的身份。同时在交易产生过程中会利用交易者的私钥生成唯一一个key-image,并让其参与签名生成过程,成为签名的一部分,通过比对此部分可以有效防止交易双花。在随机预言机模型中证明了本文方案的安全性,并且相比基于格的后量子安全的环机密交易协议,所提方案在签名效率以及验证效率方面都更具优势。

关键词：多变量公钥密码后量子环签名环机密交易协议同态承诺

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FatSeal:一种基于格的高效签名算法

电子与信息学报 2020年第2期42卷 333-340页

作者：谢天元李昊宇朱熠铭潘彦斌刘珍杨照民中国科学院数学与系统科学研究院数学机械化重点实验室北京100190 中国科学院大学数学科学学院北京100049

当前基于格设计的能够抵抗量子计算机攻击的签名方案是基于数论难题的传统签名方案的热门候选替代。通过Fiat-Shamir变换以及拒绝采样技术构造格签名是一种重要方法,共有5个格签名方案提交到美国国家标准与技术局的后量子算法项目中,基... 详细信息

当前基于格设计的能够抵抗量子计算机攻击的签名方案是基于数论难题的传统签名方案的热门候选替代。通过Fiat-Shamir变换以及拒绝采样技术构造格签名是一种重要方法,共有5个格签名方案提交到美国国家标准与技术局的后量子算法项目中,基于Fiat-Shamir变换进行设计的有两个方案。其中Dilithium是基于模错误学习(MLWE)问题构造的Fiat Shamir签名,它的一个特性是在签名算法中使用了高效简洁的均匀采样。Dilithium签名方案构造在一般格上,为了获得更紧凑的公钥尺寸,Dilithium对公钥进行了压缩。另一方面,NTRU格上的密码方案比一般格上的密码方案在效率和参数尺寸上有更大的优势,该文给出了Dilithium签名在NTRU格上的一个高效变种方案,在继承Dilithium简洁设计的基础上,综合了NTRU和拒绝采样的技术优势而无需额外的压缩处理,进一步提升了基于格的Fiat-Shamir签名的效率。

关键词：数字签名格 Fiat-Shamir签名后量子拒绝采样

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一种高性能RLWE加密处理器的设计与实现

电子科技 2022年第11期35卷 13-20页

作者：王春华李斌杜高明李桢旻合肥工业大学微电子设计研究所安徽合肥230601

RLWE加密方案是后量子时代格密码系统中最有潜力的候选方案之一。针对RLWE加密处理器存在的高延迟、低吞吐率的问题,文中提出了一种高性能RLWE加密处理器硬件架构。该结构采用了两个NTT模块和4个蝶形模块的并行结构。在预计算和后计算... 详细信息

RLWE加密方案是后量子时代格密码系统中最有潜力的候选方案之一。针对RLWE加密处理器存在的高延迟、低吞吐率的问题,文中提出了一种高性能RLWE加密处理器硬件架构。该结构采用了两个NTT模块和4个蝶形模块的并行结构。在预计算和后计算过程中,利用4个蝶形模块中的乘法器进行并行计算。在加密过程中,NTT运算与密文计算并行处理。在NTT以及INTT运算的处理过程中,将数据的读写过程及计算过程进行乒乓操作,从而隐藏数据的读写周期,降低RLWE加密处理器的延迟,提高了RLWE加密处理器的吞吐率。设计资源复用的硬件架构,在加密、解密过程复用蝶形模块中的乘法器和加法器,INTT复用NTT的电路结构,从而降低加密处理器硬件资源消耗。在Spartan-6 FPGA开发平台上实现了参数为n=256,q=65537的加密处理器。实验结果表明,文中提出的加密时间仅为12.18μs,吞吐率为21.01 Mbit·s^(-1),解密时间仅为8.65μs,吞吐率为29.60 Mbit·s^(-1)。与其他加密处理器的对比实验表明,文中所提出的加密处理器的延迟和吞吐率均得到了改善。

关键词：后量子现场可编程门阵列环上带错学习加密吞吐率延迟并行资源复用

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基于超奇异同源的认证密钥交换

密码学报 2018年第6期5卷 695-704页

作者：徐秀李宝王鲲鹏薛海洋中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室北京100093 中国科学院数据与通信保护研究教育中心北京100093 中国科学院大学网络空间安全学院北京100049

本文主要研究超奇异同源密码,该密码是一种新兴的抵抗量子计算机的后量子密码.本文利用twin版本的Diffie-Hellman问题,提出一种基于超奇异同源的可证明安全的两轮认证密钥协议.该协议是一种MQV-型的密钥交换协议,继承了(H)MQV协议的属性... 详细信息

本文主要研究超奇异同源密码,该密码是一种新兴的抵抗量子计算机的后量子密码.本文利用twin版本的Diffie-Hellman问题,提出一种基于超奇异同源的可证明安全的两轮认证密钥协议.该协议是一种MQV-型的密钥交换协议,继承了(H)MQV协议的属性.该协议是基于计算超奇异椭圆曲线间的同源的困难性问题.针对提出的协议,本文不仅给出了安全属性的启发式讨论,而且在Canetti-Krawczyk的认证链路模型下证明了方案的安全性.为了证明安全性,本文提出了twin版本的超奇异同源假设.同时本文也指出,虽然该协议与格上的方案相比密钥长度较短,但是计算量要更大.

关键词：认证密钥交换超奇异椭圆曲线同源后量子