Practical hybrid PQC-QKD protocols with enhanced security and performance

要約

量子技術が大規模でフォールトトレラントな量子コンピュータに向けて進歩を続ける中、量子耐性は新興の暗号システムにとって極めて重要です。
耐性は、光子の量子状態を使用して情報理論的なセキュリティを提供する量子鍵配布 (QKD) によって提供される可能性がありますが、長距離での伝送損失によって制限される可能性があります。
代替アプローチは古典的な手段を使用し、量子攻撃、いわゆるポスト量子暗号 (PQC) に耐性があると推測されていますが、厳密にはまだ証明されておらず、現在の実装は計算コストが高くなります。
それぞれに存在するセキュリティとパフォーマンスの課題を克服するために、ここでは量子古典ネットワーク内で QKD と PQC が相互運用するハイブリッド プロトコルを開発します。
特に、いずれかのアプローチの個々のパフォーマンスよりも高速化および/またはセキュリティの強化を提供できる、さまざまなハイブリッド設計を検討します。
さらに、キー配布ネットワークにおけるハイブリッド プロトコルのセキュリティを分析する方法を紹介します。
私たちのハイブリッド アプローチは、QKD と PQC の両方の利点を活用し、さまざまな実用的なネットワークの要件に合わせて調整できる、共同量子古典通信ネットワークへの道を開きます。

要約(オリジナル)

Quantum resistance is vital for emerging cryptographic systems as quantum technologies continue to advance towards large-scale, fault-tolerant quantum computers. Resistance may be offered by quantum key distribution (QKD), which provides information-theoretic security using quantum states of photons, but may be limited by transmission loss at long distances. An alternative approach uses classical means and is conjectured to be resistant to quantum attacks, so-called post-quantum cryptography (PQC), but it is yet to be rigorously proven, and its current implementations are computationally expensive. To overcome the security and performance challenges present in each, here we develop hybrid protocols by which QKD and PQC inter-operate within a joint quantum-classical network. In particular, we consider different hybrid designs that may offer enhanced speed and/or security over the individual performance of either approach. Furthermore, we present a method for analyzing the security of hybrid protocols in key distribution networks. Our hybrid approach paves the way for joint quantum-classical communication networks, which leverage the advantages of both QKD and PQC and can be tailored to the requirements of various practical networks.

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