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2024 | Buch

Quanten-Zufallszahlengenerierung

Theorie und Praxis

herausgegeben von: Christian Kollmitzer, Stefan Schauer, Stefan Rass, Benjamin Rainer

Verlag: Springer International Publishing

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Über dieses Buch

Dieses Buch bietet einen Überblick über die neuesten Implementierungen von Quanten-Zufallszahlengeneratoren (QRNGs) und untersucht insbesondere deren Beziehung zu klassischen statistischen Zufallsmodellen und numerischen Techniken zur Berechnung von Zufallszahlen. Der Leser - der idealerweise einen Hintergrund in klassischer Statistik, Informatik oder Kryptographie hat - wird Schritt für Schritt in die Welt der Quantenbits eingeführt, und es werden explizite Beziehungen zwischen QRNGs und ihren klassischen Gegenstücken aufgezeigt.

Die Erzeugung von Zufallszahlen ist eine wichtige Säule der Kryptographie. Die Nutzung des Zufalls, der Quantenphänomenen innewohnt, ist ein sich rasch entwickelnder Zweig der Quantenkryptografie mit unzähligen Anwendungen für die Zukunft. Der Wert der Quantenzufälligkeit für kryptografische Zwecke wird empirisch durch statistische Auswertungen der Leistung von QRNGs im Vergleich zu klassischen Techniken zur Erzeugung echter und pseudozufälliger Zahlen nachgewiesen. Das Buch bietet dann einen Überblick über die technischen Implementierungen von QRNGs, bevor eine abschließende Diskussion über die wichtigsten Errungenschaften und verbleibenden Hindernisse auf diesem Gebiet die Berichterstattung abrundet und gleichzeitig die Tür für zukünftige Forschungsrichtungen öffnet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Einführung: Grundlegende Prinzipien der Quantenzufallszahlenerzeugung mit Strahlteilern
Zusammenfassung
Diese Einführung beschreibt eines der wichtigsten Elemente für die Erzeugung quantenmechanischer Zufallszahlen – den Strahlteiler (BS). Ein BS ist ein passives Element zur Aufteilung von Lichtstrahlen (z. B. Laserstrahlen) in zwei ausgehende Strahlen.
Martin Suda, Gerald Dißauer
Quanten-Zufallszahlengenerierung
Zusammenfassung
Die Unvorhersehbarkeit von Zufallszahlen findet in verschiedenen Bereichen Anwendung, z. B. bei Lotterien, wissenschaftlichen Simulationen und grundlegenden physikalischen Tests. Am offensichtlichsten ist ihre Anwendung jedoch in kryptografischen Protokollen, die zwangsläufig Zufallszahlengeneratoren zur Erzeugung von Seeds, anfänglichen Zufallswerten, Nonces (Salts), Blinding-Werten und Padding-Bytes enthalten. Um für solche Aufgaben verwendet werden zu können, müssen Zahlengeneratoren bestimmte Kriterien erfüllen, um die Sicherheit des kryptografischen Protokolls zu gewährleisten. Dies bezieht sich in erster Linie auf die Unvorhersehbarkeit der generierten Zahlenwerte, selbst wenn der Angreifer das Design des Zufallszahlengenerators kennt. Im Gegensatz zu deterministischen Zufallszahlengeneratoren, die Zufallswerte mit einer Entropie erzeugen, die durch die Entropie des anfänglichen Seeds begrenzt ist, betrachten wir in diesem Kapitel nichtdeterministische Zufallszahlengeneratoren, die sich bei der Erzeugung von Zufallszahlen auf den Quantenzustand der Materie verlassen. Nichtdeterministische Zufallszahlengeneratoren verwenden verschiedene Techniken wie radioaktiven Zerfall, Schrotrauschen in Halbleitern, Photonen und andere.
Christian Kollmitzer, Stefan Petscharnig, Martin Suda, Miralem Mehic
Authentische Quanten-Noncen
Zusammenfassung
Zufallszahlen sind ein wichtiger Bestandteil kryptographischer Anwendungen, dessen Bedeutung oft unterschätzt wird. So beruhen beispielsweise verschiedene Protokolle auf der Anforderung, Zahlen nur einmal und nie wieder zu verwenden (am bekanntesten ist das One-Time-Pad), oder auf einer bestimmten Mindestentropie einer Zufallsmenge. Quanten-Zufallszahlengeneratoren können helfen, solche Anforderungen zu erfüllen, aber sie können auch angegriffen werden. Hier betrachten wir einen so genannten Zufallsersetzungsangriff, bei dem der Angreifer eine gute Zufallsquelle durch eine andere ersetzt, die (im Laufe der Zeit) doppelte Werte und möglicherweise Zahlen mit geringer Entropie erzeugt. Eine Bindung zwischen einer Zufallszahl und ihrem Ursprung ist somit ein Qualitäts- und Sicherheitszertifikat, wenn Anwendungen auf höherer Ebene auf den guten Eigenschaften der Quantenzufälligkeit beruhen.
Stefan Rass, Peter Schartner
Statistische Qualität von RNGs
Zusammenfassung
Es wurde und wird immer noch darüber diskutiert, wie die Qualität von Zufallszahlen, die von Zufallszahlengeneratoren (RNGs) erzeugt werden, gemessen werden kann.
Benjamin Rainer, Jürgen Pilz, Martin Deutschmann
Ein Photonischer Quanten-Zufallsbit-Generator ohne Vorgeschichte und mit geringer Latenz für den Einsatz in lückenlosen Bell-Tests und allgemeinen Anwendungen
Zusammenfassung
Zufallszahlen sind für unsere moderne informationsbasierte Gesellschaft unerlässlich. Im Gegensatz zu häufig verwendeten Pseudo-Zufallsgeneratoren sind physikalische Zufallszahlengeneratoren nicht von deterministischen Algorithmen abhängig, sondern von einem physikalischen Prozess, der echte Zufälligkeit liefert. In dieser Arbeit stellen wir einen konzeptionell einfachen optischen Quantenzufallszahlengenerator vor, der besondere Eigenschaften aufweist, die für die Anwendung in einem lückenlosen Bell-Ungleichungstest erforderlich sind, nämlich: (1) sehr kurze Latenzzeit zwischen der Anforderung eines Zufallsbits und dem Zeitpunkt, zu dem das Bit erzeugt wird; (2) alle für die Biterzeugung relevanten physikalischen Prozesse finden nach dem Bitanforderungssignal statt; und (3) hohe Effizienz bei der Erzeugung eines Bits auf eine Anforderung hin (100 % durch Design). Dieser Generator zeichnet sich durch weitere positive Eigenschaften aus: die Möglichkeit, eine hohe Bit-Erzeugungsrate zu erreichen, die Möglichkeit, einen Photonendetektor mit geringer Detektionseffizienz zu verwenden, eine hohe Anzahl von Bits pro detektiertem Photon (≈2) und die Einfachheit des Bit-Erzeugungsprozesses. Die erzeugten Sequenzen von Zufallsbits bestehen den NIST-STS-Test ohne weitere Nachbearbeitung.
Mario Stipčević, Rupert Ursin
Sichere Zufallszahlengenerierung in Systemen mit kontinuierlichen Variablen
Zusammenfassung
Die inhärente Ungewissheit ist eine Besonderheit der Quantenphysik, die genutzt werden kann, um hochwertige Zufallszahlen zu erzeugen. In realistischen Szenarien wird die Rohausgabe eines Quantenzufallszahlengenerators (Quantum Random Number Generator – QRNG) jedoch unweigerlich durch klassisches technisches Rauschen verfälscht. Die Integrität eines solchen Geräts kann gefährdet sein, wenn dieses Rauschen manipuliert oder sogar von böswilligen Parteien kontrolliert wird. In diesem Kapitel wird zunächst kurz erörtert, wie die Quantenzufälligkeit durch informationstheoretische Ansätze charakterisiert werden kann, konkret durch die Quantifizierung der Shannon-Entropie und der Min-Entropie. Anschließend betrachten wir verschiedene Möglichkeiten, wie klassische Side Information über diese Größen in einem kontinuierlich variablen QRNG berücksichtigt werden können. Als nächstes konzentrieren wir uns auf die von der Side Information unabhängige Zufälligkeit, die durch die Min-Entropie in Abhängigkeit vom klassischen Rauschen quantifiziert wird. Zu diesem Zweck präsentieren wir eine Methode zur Maximierung der bedingten Min-Entropie bei einem gegebenen Verhältnis von Quanten- zu klassischem Rauschen. Wir demonstrieren unseren Ansatz an einem CV-QRNG im Vakuumzustand. Abschließend stellen wir einige aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Entwicklung sicherer CV-QRNG vor.
Jing Yan Haw, Syed M. Assad, Ping Koy Lam
Vertrauenswürdiges Quanten-Backbone, das sichere Kommunikation nutzt
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die verschiedenen Anwendungsfälle eines vertrauenswürdigen Quanten-Backbone (QBB) und deren Vor- und Nachteile sowie offene Probleme erörtert. Darüber hinaus wird erläutert, warum ein QBB auch PRNGs verwenden kann, die mit quantenbasierten Zufallszahlen geseedet werden, um die Generierungsrate von Schlüsselbits zu erhöhen.
Benjamin Rainer, Oliver Maurhart
Metadaten
Titel
Quanten-Zufallszahlengenerierung
herausgegeben von
Christian Kollmitzer
Stefan Schauer
Stefan Rass
Benjamin Rainer
Copyright-Jahr
2024
Electronic ISBN
978-3-031-54998-4
Print ISBN
978-3-031-54997-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-031-54998-4

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