Effizienter Quantenalgorithmus für die Post-Quanten-Kryptographie

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die Implementierung einer "codebasierten Kryptographie" mit einer expliziten Quantenschaltung für eine effiziente Quantenkryptographie mit einem großen asymmetrischen Schlüssel unter Verwendung von Quantenarithmetik mit Quanten-Fourier-Transformation.

Zusammenfassung

Die Realisierung von Quantencomputern könnte die Gesellschaft und die globale Sicherheit in vielerlei Hinsicht erheblich beeinflussen. Ein beträchtlicher Teil der Forschung wurde im Bereich der Quantenkryptographie betrieben - Maschinen, die quantencomputergestützte Empfindungen nutzen, um mathematische Probleme zu lösen, die für herkömmliche Computer unzugänglich sind. Die florierende 6. Generation des "Quantencomputings" kann einen Großteil der derzeit etablierten Schutz- und Digitalwirtschaft zerstören und bedrohen, kann aber auch kryptographische Alternativen bieten. So sind wir in der Lage, verschiedene Prozesse effektiver zu optimieren, die Effizienz zu verbessern und schnellere quantenmechanische Simulationen zu ermöglichen, unter anderem für ein besseres Wirkstoff- und Materialdesign. Diese Forschung konzentriert sich auf die Implementierung eines kryptographischen Post-Quanten-Algorithmus, indem die Quantenmultiplikation mit großen Zahlen mit einem Quantenzufallszahlengenerator (QRNG) verbunden wird. Ein codebasierter kryptographischer Ansatz unter Verwendung einer Quanten-Fourier-Transformation (QFT) wird mit einem riesigen asymmetrischen Schlüssel in einem expliziten Quantenschaltkreis verfolgt, um ein sicheres Quantenkommunikationssystem zu etablieren. In dieser Forschungsarbeit wurde ein "Klartext" (klassische Daten) mit Hilfe eines Quantenvervielfachers mit Hilfe von Quantenarithmetik mit QRNG verschlüsselt. Folglich werden die resultierenden Quantendaten mit QRNG-Daten über den Quantenkanal an die Empfängerseite übertragen, wo der Quantenteiler sie entschlüsselt. Darüber hinaus deuten die IBM-Qiskit-Simulationsergebnisse jeder beabsichtigten Komponente und die vergleichende Analyse mit früheren Arbeiten und Algorithmen auf eine höhere Robustheit und Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Quantenbeweisalgorithmus hin, wenn große Qubit-Quantengeräte berücksichtigt werden. Die Arbeit bietet eine wertvolle Richtung für weitere Entwicklungen in diesem Bereich und ebnet den Weg für zukünftige Anwendungen von Quantencomputing in der Post-Quanten-Kryptographie.

Einleitung

Die Quantenberechnung basiert auf Quantenbits (Qubits), die sich grundlegend von klassischen Bits unterscheiden. Während ein klassisches Bit nur im Zustand 0 oder 1 existieren kann, kann ein Qubit 0, 1 oder eine beliebige lineare Überlagerung beider Zustände gleichzeitig darstellen. Diese Eigenschaft ermöglicht es Quantensystemen, eine große Anzahl von Werten parallel statt sequenziell zu speichern und zu verarbeiten. Nach der Messung kollabiert das Qubit in einen bestimmten Zustand und liefert das Berechnungsergebnis. Die inhärente Parallelität der Quantenverarbeitung bietet eine erhebliche Beschleunigung, wobei Schätzungen darauf hi....

Protokoll

In diesem Artikel wird der Algorithmus unter Verwendung der Quantenarithmetik und der schnellen Quanten-Fourier-Transformation¹³ verwendet, um die Nachricht zu entschlüsseln, indem der Chiffretext durch den symmetrischen Schlüssel dividiert wird. Das Hauptziel dieser Studie ist es, die Quantenimplementierung der symmetrischen schlüsselbasierten Kryptographie durch die Generierung eines zufälligen Schlüssels, die Verwendung eines großen Multiplikationsalgorithmus und die Durchführung einer großen Anzahl von Divisionen auf der IBMQ Environment v1.7.4 zu demonstrieren. Abbildung 1 zei....

Ergebnisse

Alle Komponenten der oben genannten Schaltung (Abbildung 1) wurden mit Python-Code (Supplementary Files 1-3) mit IBM Qiskit implementiert und auf einem lokalen und IBMQ-Simulator ausgeführt. Sie sind jedoch nicht in der Lage, auf Quantengeräten ausgeführt zu werden, da es in bestehenden Quantengeräten an frei verfügbaren Qubits mangelt. Die Histogrammausgabe in den Simulatoren Local und IBMQ für alle Schlüss.......

Diskussion

Der Erfolg des vorgeschlagenen Quantenkryptographie-Protokolls hängt von drei kritischen Phasen ab: Quantum Random Number Generation (QRNG), Quantum Arithmetic Operations using Quantum Fast Fourier Transformation (QFFT und QIFFT) sowie Quantum Key Shuffling and Reshuffling. Die QRNG-Phase legt die Grundlage für die Sicherheit fest, indem sie wirklich zufällige symmetrische Schlüssel³ generiert. Die arithmetischen Operationen, die unter Verwendung von kontrollierte.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
GPU A100	NVIDIA		80G-GPU
ibm_brisbane	IBM	https://quantum.ibm.com/	Der supraleitende Quantencomputer der IBM Quantum Eagle Familie.
python3.10	Python Software Foundation	https://www.python.org/downloads/release/python-3100/
Qiskit	IBM	https://www.ibm.com/quantum/qiskit	Ein Open-Source-SDK für die Arbeit mit Quantencomputern auf der Ebene erweiterter Quantenschaltungen, Operatoren und Primitive.