Research Article

포스트 양자 암호화를 위한 효율적인 양자 알고리즘

DOI:

10.3791/68934

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November 14th, 2025

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1Department of Electronics, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 2MAKAUT, West Bengal, India, 3Department of Computer Science, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 4Narula Institute of Technology, West Bengal, India, 5Department of Computer Sciences, College of Computer and Information Sciences, Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riyadh, Saudi Arabia, 6Department of Physics, College of Sciences, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia, 7Department of Computer Science and Artificial Intelligence, College of Computing and Information Technology, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 양자 푸리에 변환과 함께 양자 산술을 활용하여 큰 비대칭 키를 사용하여 효율적인 양자 암호화를 위해 명시적 양자 회로를 사용한 "코드 기반 암호화"의 구현을 설명합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

양자 컴퓨터의 실현은 여러 면에서 사회와 글로벌 안보에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 양자 암호학(양자 컴퓨터 감각을 활용하여 기존 컴퓨터로는 접근할 수 없는 수학적 문제를 해결하는 기계)에 대한 상당한 양의 연구가 이루어졌습니다. 번성하는 6세대 '양자 컴퓨팅'은 현재 확립된 보호 및 디지털 경제의 대부분을 깨고 위협할 수 있지만 암호화 대안을 제공할 수 있습니다. 따라서 우리는 다양한 프로세스를 보다 효과적으로 최적화하여 효율성을 개선하고 더 나은 약물 및 재료 설계를 위한 더 빠른 양자 역학 시뮬레이션을 가능하게 할 수 있습니다. 이 연구는 대수 양자 곱셈과 양자 난수 생성기(QRNG)를 연결하여 포스트 퀀텀 암호화 알고리즘을 구현하는 데 중점을 둡니다. QFT(Quantum Fourier Transformation)를 사용하는 코드 기반 암호화 접근 방식은 명시적 양자 회로에서 거대한 비대칭 키를 사용하여 안전한 양자 통신 시스템을 구축합니다. 이 연구 작업에서는 양자 산술의 도움으로 양자 승수를 사용하여 '일반 텍스트'(고전 데이터)를 QRNG로 암호화했습니다. 결과적으로 QRNG 데이터가 포함된 결과 양자 데이터는 양자 채널을 통해 수신기 측으로 전송되며, 여기서 양자 분배기는 이를 해독합니다. 또한, 각 의도한 구성 요소의 IBM Qiskit 시뮬레이션 결과와 이전 작업 및 알고리즘과의 비교 분석은 대규모 큐비트 양자 장치를 고려할 때 제안된 양자 증명 알고리즘의 견고성과 신뢰성이 더 높다는 것을 시사합니다. 이 작업은 이 영역의 추가 개발을 위한 귀중한 방향을 제공하고 포스트 양자 암호화에서 양자 컴퓨팅의 향후 적용을 위한 길을 열어줍니다.

Introduction

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양자 계산은 기존 비트와 근본적으로 다른 양자 비트(큐비트)를 기반으로 합니다. 클래식 비트는 상태 0 또는 1에서만 존재할 수 있지만 큐비트는 0, 1 또는 두 상태의 선형 중첩을 동시에 나타낼 수 있습니다. 이 속성을 통해 양자 시스템은 방대한 수의 값을 순차적으로 저장하지 않고 병렬로 저장하고 처리할 수 있습니다. 측정 시 큐비트는 일정한 상태로 붕괴되어 계산 결과를 제공합니다. 양자 처리의 고유한 병렬 처리는 양자 컴퓨터가 고전 시스템보다 몇 배나 능가할 수 있다는 추정치와 함께 상당한 속도 향상을 제공합니다. 이러한 발전은 기존 암호화 기술의 보안에 심각한 문제를 야기하므로 양자 계산1이 있는 상태에서 안전하게 유지되는 암호화 방법의 개발이 필요합니다.

고전 암호화는 전통적으로 보안 코드를 만드는 기술로 간주되어 왔으며, 기밀성을 보장하는 핵심 프로세스에는 비밀 키를 사용하여 일반 텍스트를 인코딩하고 디코딩하는 작업이 포함됩니다. 역사적으로 암호화 기술은 주로 군사 통신과 안전한 외교 교환에 사용되었습니다. 통신 기술의 확장과 합법적인 사용자 간의 안전한 정보 공유에 대한 수요가 증가함에 따라 암호화는 학계 및 산업 부문 모두에서 ....

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Protocol

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이 기사에서는 양자 산술 연산과 양자 고속 푸리에 변환13을 활용하여 암호문을 대칭 키로 나누어 메시지를 해독하는 알고리즘을 사용합니다. 이 연구의 주요 목적은 임의 키를 생성하고, 대규모 곱셈 알고리즘을 사용하고, IBMQ 환경 v1.7.4에서 많은 수의 나눗셈을 수행하여 대칭 키 기반 암호화의 양자 구현을 입증하는 것입니다. 그림 1 은 대칭 키 기반 암호화를 구현하기 위한 엔드 투 엔드 프로세스를 보여줍니다. 대칭 키와 암호문은 양자 채널 을 통해 소스 장치(암호화가 발생하는 곳)에서 대상 장치(암호 해독이 발생하는 곳)로 전송된다고 가정합니다. 사용된 장비 및 소프트웨어는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. QuRNG 생성 (양자 난수 생성기)

큰 대칭 키를 생성하기 위한 양자 회로. 이 회로는 'hadamard', 'CRZ 및 'swap' 게이트를 사용하여 큰 난수, 즉 대칭 키를 생성합니다. 일반 텍스트 길이가 'x'인 것을 고려하면 이 회로는 길이가 '2....

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Results

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위에서 언급한 회로(그림 1)의 모든 구성요소는 IBM Qiskit과 함께 Python 코드(보충 파일 1-3)를 사용하여 구현되었으며 로컬 및 IBMQ 시뮬레이터에서 실행되었습니다. 그러나 기존 양자 장치에 무료로 사용할 수 있는 큐비트가 없기 때문에 양자 장치에서 실행할 수 없습니다. 모든 주요 구성요소에 대한 로컬 및 IBMQ 시뮬레이터의 히스토그램 출력은 아래에 설명되어 있습니다.

큐RNG
회로는 시뮬레이터에서 여러 번 실행되었으며 예상되는 무작위 출력이 관찰되었습니다. 아래 다이어그램은 QuRNZ 회로의 큐비트에 대한 각 실행 반복에서 출력이 어떻게 달라지는지 보여줍니다. 그림 11

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Discussion

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제안된 양자 암호화 프로토콜의 성공은 양자 난수 생성(QRNG), 양자 고속 푸리에 변환(QFFT 및 QIFFT)을 사용한 양자 산술 연산, 양자 키 셔플링 및 재편성의 세 가지 중요한 단계에 달려 있습니다. QRNG 단계는 진정한 무작위 대칭 키를 생성하여 보안의 기반을 구축합니다3. 제어된 QFFT 및 역 QFFT 게이트를 사용하여 실행되는 산술 연산은 정확한 암호화 및 암호 해독을 보장하는 반면, 셔플링 회로는 양자 채널을 통해 전송하는 동안 키 무결성을 보존합니다13,19.

BB84 및 E91 1,2와 같은 기존의 양자 키 배포(QKD) 프로토콜과 비교하여 제안된.......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작업은 사우디아라비아 리야드에 있는 누라 빈트 압둘라만 공주 대학의 누라 빈트 압둘라만 공주 대학 연구원 지원 프로젝트(PNURSP2025R755)의 지원을 받았습니다. 저자들은 패스트 트랙 연구 지원 프로그램을 통해 이 작업을 지원해 준 비샤 대학의 대학원 및 과학 연구 학장에게 감사를 표합니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100엔비디아80G GPU
ibm_brisbaneIBMhttps://quantum.ibm.com/IBM 퀀텀 이글 계열의 초전도 양자 컴퓨터입니다.
파이썬3.10파이썬 소프트웨어 재단https://www.python.org/downloads/release/python-3100/
키스킷IBMhttps://www.ibm.com/quantum/qiskit확장된 양자 회로, 연산자, 원시 요소 수준에서 양자 컴퓨터를 다루기 위한 오픈소스 SDK입니다.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Quantum cryptography in practice. Elliott, C., Pearson, D., Troxel, G. Proc Conf Appl Technol Archit Protocols Comput Commun, 2003, 227-238 (2003).
  2. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Bennett, C. H., Brassard, G. Proc IEEE Int Conf Comput Syst Signal Process, 1 (1), 175-179 (1984).
  3. Techateerawat, P. A review on quantum cryptography technology. Int Trans J Eng Manage Appl Sci Technol.

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Quantum AlgorithmPost Quantum CryptographyQuantum ComputingQuantum CryptographyQuantum Fourier TransformationQuantum Random Number GeneratorQuantum MultiplicationQuantum CircuitQuantum CommunicationIBM Qiskit

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