Quantum Hardware Security and Near-term Applications
Sécurité du matériel quantique avec des applications à court terme
Résumé
Hardware security primitives are hardware-based fundamental components and mechanisms used to enhance the security of modern computing systems in general. These primitives provide building blocks for implementing security features and safeguarding against threats to ensure integrity, confidentiality, and availability of information and resources. With the high-speed development of quantum computation and information processing, a huge potential is shown in constructing hardware security primitives with quantum mechanical systems. Meanwhile, addressing potential vulnerabilities from the hardware perspective is becoming increasingly important to ensure the security properties of quantum applications. The thesis focuses on practical hardware security primitives in quantum analogue, which refer to designing and implementing hardware-based security features with quantum mechanical systems against various threats and attacks. Our research follows two questions: How can quantum mechanical systems enhance the security of existing hardware security primitives? And how can hardware security primitives protect quantum computing systems? We give the answers by studying two different types of hardware security primitives with quantum mechanical systems from constructions to applications: Physical Unclonable Function (PUF) and Trusted Execution Environments (TEE). We first propose classical-quantum hybrid constructions of PUFs called HPUF and HLPUF. When PUFs exploit physical properties unique to each individual hardware device to generate device-specific keys or identifiers, our constructions incorporate quantum information processing technologies and implement quantum-secure authentication and secure communication protocols with reusable quantum keys. Secondly, inspired by TEEs that achieve isolation properties by hardware mechanism, we propose the QEnclave construction with quantum mechanical systems. The idea is to provide an isolated and secure execution environment within a larger quantum computing system by utilising secure enclaves/processors to protect sensitive operations from unauthorized access or tampering with minimal trust assumptions. It results in an operationally simple enough QEnclave construction with performing rotations on single qubits. We show that QEnclave enables delegated blind quantum computation on the cloud server with a remote classical user under the security definitions.
Les primitives de sécurité matérielle sont des composants et des mécanismes fondamentaux basés sur le matériel et utilisés pour améliorer la sécurité des systèmes informatiques modernes en général. Ces primitives fournissent des éléments de base pour la mise en œuvre des fonctions de sécurité et la protection contre les menaces afin de garantir l'intégrité, la confidentialité et la disponibilité des informations et des ressources. Avec le développement à grande vitesse de l'informatique quantique et du traitement de l'information, la construction de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques présente un énorme potentiel. Parallèlement, il devient de plus en plus important de traiter les vulnérabilités potentielles du point de vue du matériel pour garantir les propriétés de sécurité des applications quantiques. La thèse se concentre sur les primitives de sécurité matérielles pratiques en analogie quantique, qui se réfèrent à la conception et à la mise en œuvre de fonctions de sécurité matérielles avec des systèmes mécaniques quantiques contre diverses menaces et attaques. Notre recherche s'articule autour de deux questions: Comment les systèmes mécaniques quantiques peuvent-ils améliorer la sécurité des primitives de sécurité matérielle existantes? Et comment les primitives de sécurité matérielle peuvent-elles protéger les systèmes d'informatique quantique? Nous apportons les réponses en étudiant deux types de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques, de la construction à l'application: Physical Unclonable Function (PUF) et Trusted Execution Environments (TEE). Nous proposons tout d'abord des constructions hybrides classiques-quantiques de PUF appelées HPUF et HLPUF. Alors que les PUF exploitent les propriétés physiques propres à chaque dispositif matériel individuel pour générer des clés ou des identifiants spécifiques, nos constructions intègrent des technologies de traitement quantique de l'information et mettent en œuvre des protocoles d'authentification et de communication sécurisés avec des clés quantiques réutilisables. Deuxièmement, inspirés par les TEE qui obtiennent des propriétés d'isolation par un mécanisme matériel, nous proposons la construction de QEnclave avec des systèmes mécaniques quantiques. L'idée est de fournir des environnements d'exécution isolés et sécurisés au sein d'un système informatique quantique plus large en utilisant des enclaves/processeurs sécurisés pour protéger les opérations sensibles d'un accès non autorisé ou d'une altération avec des hypothèses de confiance minimales. Il en résulte une construction de QEnclave assez simple de manière opérationnelle, avec l'exécution de rotations sur des qubits uniques. Nous montrons que QEnclave permet un calcul quantique aveugle délégué sur le serveur en nuage avec un utilisateur classique distant dans le cadre des définitions de sécurité.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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