Existential unforgeability in quantum authentication from quantum physical unclonable functions based on random von Neumann measurement
Year: 2024
Type: article
Abstract: Physical unclonable functions (PUFs) leverage inherent, nonclonable physical randomness to generate unique input-output pairs, serving as secure fingerprints for cryptographic protocols like authentication. Quantum PUFs (QPUFs) extend this concept by using quantum states as input-output pairs, offering advantages over classical PUFs, such as challenge reusability via public channels and eliminating the need for trusted parties due to the no-cloning theorem. Recent work introduced a generalized mathematical framework for QPUFs. It was shown that random unitary QPUFs cannot achieve existential unforgeability against quantum polynomial time (QPT) adversaries. Security was possible only with additional uniform randomness. To avoid the cost of external randomness, we propose a novel measurement-based scheme. Here, the randomness naturally arises from quantum measurements. Additionally, we introduce a second model where the QPUF functions as a nonunitary quantum channel, which guarantees existential unforgeability. These are the first models in the literature to demonstrate a high level of provable security. Finally, we show that the quantum phase estimation (QPE) protocol, applied to a Haar random unitary, serves as an approximate implementation of the second type of QPUF by approximating a von Neumann measurement on the unitary's eigenbasis. Published by the American Physical Society 2024
Source: Physical Review Research
Language: English
Subfield: Artificial Intelligence
Field: Computer Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: gold
Estimated APC paid: $2,625
Awards: Verbundprojekt: Quantenrepeater.Link - QR.X -, Teilvorhaben: Quantenrepeater in Quantenkommunikationsnetzwerken, Verbundprojekt: Quantenkommunikation für Internet-of-Things-Netzwerke - QUIET -, G1305463392, G1838120571, EXC 2092: CyberSicherheit im Zeitalter großskaliger Angreifer (CASA), Verbundprojekt: Quanten Drahtloses Campusnetzwerk - QD-CamNetz - , Teilvorhaben: TP-Boche: Quantenklassische Verbindungen, TP-Deppe: Quantenklassischen Verbindungsschicht Protokolle, TP-Nötzel: Quantenklassiche Simulations/Emulations-Plattform, Verbundprojekt: Quantum Physical Layer Service Integration - QuaPhySI -, Verbundprojekt: Post Shannon Kommunikation - NewCom -, Teilvorhaben: Grundlagen, Simulation und Demonstration für neue Kommunikationsmodelle, Verbundprojekt: Digitale Transformation und Souveränität künftiger Kommunikationsnetze - 6G-life -, Teilvorhaben: Grundlagen und Systemlösungen für Post Shannon Kommunikation, In-Network Computing, eingebettete Sicherheit und Resilienz, Verbundprojekt: Quantenrepeater.Link - QR.X -, Teilvorhaben: Resilienz und Semantische Sicherheit für Quantenrepeater Systeme, G4100198722, Verbundprojekt: Quanten Drahtloses Campusnetzwerk - QD-CamNetz -, Teilvorhaben: Quantennetzwerke für Campusnetzwerke - Evolution in Campusnetzwerken durch Quantenkommunikation, Verbundprojekt: Post Shannon Kommunikation - NewCom -, Teilvorhaben: Kodierungstheorie und Kodierverfahren für neue Kommunikationsmodelle, Verbundprojekt: Quantenkommunikation für Internet-of-Things-Netzwerke - QUIET -, G7094606870, Verbundprojekt: Quantentoken Theorie und Anwendungen - QTOK -, Teilvorhaben: Informations- und Kodierungstheorie für Quantentoken-basierte Authentifizierung und sichere Speicherung, G7472567491, Verbundprojekt: Quantentoken Theorie und Anwendungen - QTOK -, Teilvorhaben: Modellierung und Simulation für Quantentoken-basierte Authentifizierung und sichere Speicherung, Verbundprojekt: Resilienz für das Quanten-Internet - Q-TREX -, Verbundprojekt: Digitale Transformation und Souveränität künftiger Kommunikationsnetze - 6G-life -
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