Review of current methods of quantum and post-quantum cryptography
DOI:
https://doi.org/10.18372/2225-5036.20.7549Keywords:
information security, quantum cryptography, post-quantum cryptography, quantum key distribution, quantum computers, cryptography based on lattice theoryAbstract
A quantum computer can destroy most, if not all, of the traditional cryptosystems used in practice, namely, all the systems on the basis of the integer factorization problem (e. g. RSA) or the discrete logarithm problem (both traditional and elliptic curve Diffie-Hellman and DSA, and the whole cryptography based on the pairing). Some classic cryptosystems based on computationally difficult problems are very different from the above and more difficult to solve, they are independent of the quantum computation. In this paper, a review of methods of information security based on quantum and post-quantum technologies was carried out. For each of the methods of information security based on quantum technologies are the advantages and disadvantages. Describes the system of post-quantum cryptography based on lattice theory. The results of the survey allow to formalize the direction of future research of post-quantum methods and development of new effective information security systems using quantum technologies.References
Кронберг Д.А., Ожигов Ю.И., Чернявский А.Ю. Квантовая криптография. — М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова. — 2006. — С. 23–40.
Постулаты квантовой теории. — ВГУ. — 2012. URL: http://www.rec.vsu.ru/rus/ecourse/quant
comp/ sem2.pdf (дата обращения 18.10.2013).
Корченко О.Г. Сучасні квантові технології захисту інформації / О.Г. Корченко, Є.В. Васіліу, С.О. Гнатюк // Захист інформації. — 2010. — № 1. — С. 77–89.
Василиу Е.В., Воробиенко П.П. Проблемы развития и перспективы использования квантово-криптографических систем // Наук. праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. — 2006, № 1. — С. 3-17.
Чечельницький В.Я. Методология повы-шения эффективности телекоммуникационных систем на основе интеграции канального кодирования и шифрования данных / В. Я. Чечельницький : дис. ... доктора техн. наук : 05.12.02 // Одеса : Одеський національний політехнічний університет, 2013. — 407 с.
Молдовян Д.Н. Примитивы криптосистем с открытым ключом: конечные некоммутативные группы четырехмерных векторов // Информационно-управляющие системы. — 2010. —№ 5. — С. 43–50.
Глухов М.М. К анализу некоторых систем открытого распределения ключей, основанных на неабелевых группах // Матем. вопросы криптографии. — 2010. — Т. 1. — Вып. 4. — С. 5-22
Bennett C.H., Bessette F., Brassard G. et al. Experimental Quantum Cryptography // Journal of Cryptography. — 1992. — V. 5. — № 1. — С. 3-28.
Bennett C.H., Brassard G. Quantum crypto-graphy: public key distribution and coin tossing // Proceedings of the IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing. — Bangalore, India. — 1984. — P. 175-179.
Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / С.П. Кулик, Е.А. Шапиро (пер. с англ.); С.П. Кулик, Т.А. Шмаонов (ред. пер.); Д. Боумейстер и др. (ред.). — М. : Постмаркет, 2002. — С. 33-73.
Слепов Н. Квантовая криптография: передача квантового ключа. Проблемы и решения // Электроника: НТБ. — 2006, №2. — С. 54-61.
Румянцев К.Е., Голубчиков Д.М. Квантовая криптография: принципы, протоколы, системы / Всероссийский конкурсный отбор обзорно-аналитических статей по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы». — 2008. — 37 с.
Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography // Review of Modern Physics. — 2002. — V. 74. — P. 145-195.
Гиршов Е. Доклад «Введение в квантовую криптографию» (основные понятия, протоколы, примеры, технологические аспекты) // <http://www.teormin.ifmo.ru/courses/intro/38.pdf>.
Cerf N.J., Bourennane M., Karlsson A., Gisin N. Security of quantum key distribution using d-level systems // Physical Review Letters. — 2002. — V. 88, №12. — 127902.
Василиу Е.В., Мамедов Р.С. Сравни-тельный анализ эффективности и стойкости к некогерентным атакам квантовых протоколов распределения ключей с передачей многомерных квантовых систем // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. — 2008, № 2. — С. 20-27.
Bruss D. Optimal Eavesdropping in Quantum Cryptography with Six States // Physical Review Letters. — 1998. — V. 81, № 14. — P. 3018-3021.
Chuan W., Fu Guo D., Gui Lu L. Multi-step quantum secure direct communication using multi-particle Greenberg-Horne-Zeilinger state. — Optics Communications. —2005. — V. 253. — P. 15-19.
Bostrom K., Felbinger T. Deterministic secure direct communication using entanglement // Physical Review Letters. — 2002. — V. 89, № 18. — 187902.
Cai Q.-Y., Li B.-W. Improving the capacity of the Bostrom – Felbinger protocol // Physical Review A. — 2004. — V. 69, № 5. — 054301.
Василиу Е.В., Василиу Л.Н. Пинг – понг протокол с трех– и четырехкубитными состояниями Гринбергера – Хорна – Цайлингера // Труды Одесского политехнического университета. — 2008. — Вып. 1(29). — С. 171-176.
Wang Ch., Deng F.-G., Li Y.-S. et al. Quantum secure direct communication with high dimension quantum superdense coding // Physical Review A. — 2005. — V. 71, № 4. — 044305.
Василиу Е.В., Мамедов Р.С. Анализ атаки пассивного перехвата на пинг-понг протокол с полностью перепутанными парами кутритов // Восточноевропейский журнал передовых технологий. — 2009, № 4/2 (40). — С. 4–11.
Qin S.-J., Gao F., Zhu F.-Ch. Cryptanalysis of the Hillery-Buzek-Berthiaume quantum secret-sharing protocol // Physical Review A. — 2007. — V. 76, № 6. — 062324.
Li Q., Chan W. H., Long D-Y. Semi-quantum secret sharing using entangled states // arXiv:quant-ph/0906.1866v3.
Zhang Z. J., Li Y., Man Z. X. Multiparty quantum secret sharing // Physical Review A. — 2005. — V. 71, №4. — 044301.
Hirota O., Sohma M., Fuse M., Kato K. Quantum stream cipher by the Yuen 2000 protocol: Design and experiment by an intensity-modulation scheme // Physical Review A. — 2005. — V. 72, № 2. — 022335.
Nair R., Yuen H. P. On the Security of the Y-00 (AlphaEta) Direct Encryption Protocol // arXiv:quant-ph/0702093v2.
Wang J., Zhang Q., Tang C. Quantum signa-ture scheme with single photons // Optoelectronics Letters. — 2006. — V. 2, N. 3. — P. 209-212.
Xiao-Jun W., Yun L. Authentic Digital Signature Based on Quantum Correlation // arXiv:quant-ph/0509129v2.
Gottesman D., Chuang I. Quantum digital signatures // arXiv:quant-ph/0105032v2.
Holevo A. S. Problems in the mathematical theory of quantum communication channels // Report of Mathematical Physics. — 1977. — V. 12, №2. — P. 273-278.
Quantum Computation and Information. From Theory to Experiment / Imai H., Hayashi M. (eds.). — Springer-Verlag: Berlin, Heidelberg, 2006. — P. 235.
Curty M., Santos D.J. Quantum stegano-graphy // In 2nd Bielefeld Workshop on Quantum Information and Complexity. — 2000. — Bielefeld, Germany. — P. 12.
Pat. № 7539308 USA, H04K 1/00 (20060101). Quantum steganography / Conti, Ralph, Kenneth et al — 21.05.2004.
Ajtai M. Generating Hard Instances of Lattice Problem. Proc. of 28th ACM Symp. on Theory of Comp. Philadelphia: ACM Press, 1996. — P. 99-108.
Шокуров А.В., Кузюрин Н.Н., Фомин С.А. Курс лекций «Решетки, алгоритмы и современная криптография» [Електронний ресурс] - 2008. - 127 с. // <http://discopal.ispras.ru/ru.lectures-lattice-based-cryptography.htm>
Schnorr C. P. A hierarchy of polynomial time lattice basis reduction algorithms. Theoretical Computer Science. — 1987. — 53(2-3). — P.201-224.
Lenstra A.K., Lenstra H. W., Lovasz L. Factoring polynomials with rational coefficients. Math. Ann. — 1982. — 261(4). — P. 515-534.
Hoffstein J., Pipher J., Silverman J. H. NTRU: A ring-based public key cryptosystem. In ANTS-III, 1998. — P. 267-288.
Усатюк В.С. Обзор систем ассиметричного шифрования на основе задач теории решеток криптостойких к квантовым вычислительным машинам. – Братск : Братский государственный университет.
Goldreich O., Goldwasser S., Halevi S. Eliminating decryption errors in the Ajtai-Dwork cryptosystem. In CRYPTO ’97. —1997. — P. 105–111.
Gentry C. Fully homomorphic encryption using ideal lattices. Annual ACM Symposium on Theory of Computing. — Proceedings of the 41st annual ACM symposium on Theory of computing. 2009. — P. 169-178.
Chuang I. L, N. Gershenfeld, Kubinec M. Experimental Implementation of Fast Quantum Searching. — Physical Review Letters. — 1998. — 80:15. — P. 3408–3411.
Пат. № 43779 України, МПК H04L 9/08. Система передачі криптографічних ключів / Гнатюк С.О., Кінзерявий В.М., Корченко О.Г. — №u200904239; заявл. 29.04.2009; опубл. 25.08.2009, Бюл. №16.
Пат. № 2302085 РФ, H04L9/00 (2006.01). Способ кодирования и передачи криптографических ключей / Молотков С., Кулик С. — № 200513476; 16.11.2005.
Пат. № 2325039 РФ, H04L9/00 (2006.01). Способ кодирования и передачи криптографических ключей / Молотков С., Кулик С. — № 2006119652; 06.06.2006.
Pat. № 7461323 USA, H03M 13/00 (20060101). Quantum key delivery method and communication device / Matsumoto, Wataru et al — 02.12.2008.
Pat. № 7266304 USA, H04B 10/00 (20060101), H04K 1/00 (20060101). System for secure optical
transmission of binary code / Duraffourg, Laurent et al — 04.09.2007.
Pat. № 7178277 USA, H04K 1/00 (20060101). Quantum cryptography communication system and quantum cryptography key distributing method used in the same / Takeuchi, Takeshi et al — 20.02.2007.
Pat. № 6748081 USA, H04L 9/08 (20060101), C09K 19/02 (20060101), G02F 1/13 (20060101). Quantum cryptography system for a secure transmission of random keys using a polarization setting method / Dultz, Wolfgang et al — 08.06.2004.
Pat. № 6438234 USA, H04L 9/08 (20060101), H04K 001/00. Quantum cryptography device and method / Gisin, Zbinden et al — 20.08.2002.
