정보처리학회논문지:컴퓨터 및 통신 시스템 (KIPS Transactions on Computer and Communication Systems)

  • 제10권4호
  • /
  • Pages.101-106
  • /
  • 2021
  • /
  • 2287-5891(pISSN)
  • /
  • 2734-049X(eISSN)
한국정보처리학회 (Korea Information Processing Society)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

그루버 알고리즘 적용을 위한 LEA 양자 회로 최적화

Optimization of LEA Quantum Circuits to Apply Grover's Algorithm

  • 투고 : 2020.12.14
  • 심사 : 2021.02.15
  • 발행 : 2021.04.30
PDF 다운로드
⟨ 이전 논문 다음 논문 ⟩

초록

양자 알고리즘과 양자 컴퓨터는 우리가 현재 사용하고 있는 많은 암호들의 안전성을 깨뜨릴 수 있다. 그루버 알고리즘을 n-bit 보안레벨을 가지는 대칭키 암호에 적용한다면 보안레벨을 (n/2)-bit 까지 낮출 수 있다. 그루버 알고리즘을 적용하기 위해서는 오라클 함수에 대칭키 암호가 양자 회로로 구현되어야 하기 때문에 대상 암호를 양자 회로로 최적화하는 것이 가장 중요하다. 이에 AES 또는 경량 블록암호를 양자 회로로 구현하는 연구들이 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 국산 경량 블록암호 LEA를 양자 회로로 최적화하여 구현 하였다. 기존의 LEA 양자회로 구현과 비교하여 양자 게이트는 더 많이 사용하였지만, 큐빗을 획기적으로 줄일 수 있었으며 이러한 트레이드오프 문제에 대한 성능 평가를 수행하였다. 마지막으로 제안하는 LEA 양자 회로에 그루버 알고리즘을 적용하기 위한 양자 자원들을 평가하였다.

Quantum algorithms and quantum computers can break the security of many of the ciphers we currently use. If Grover's algorithm is applied to a symmetric key cipher with n-bit security level, the security level can be lowered to (n/2)-bit. In order to apply Grover's algorithm, it is most important to optimize the target cipher as a quantum circuit because the symmetric key cipher must be implemented as a quantum circuit in the oracle function. Accordingly, researches on implementing AES(Advanced Encryption Standard) or lightweight block ciphers as quantum circuits have been actively conducted in recent years. In this paper, korean lightweight block cipher LEA was optimized and implemented as a quantum circuit. Compared to the previous LEA quantum circuit implementation, quantum gates were used more, but qubits were drastically reduced, and performance evaluation was performed for this tradeoff problem. Finally, we evaluated quantum resources for applying Grover's algorithm to the proposed LEA implementation.

키워드

과제정보

이 성과는 부분적으로 이 논문은 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(, No.2019-0-00033, 미래컴퓨팅 환경에 대비한 계산 복잡도 기반 암호 안전성 검증 기술개발) 그리고 이 성과는 부분적으로 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2020R1F1A1048478). 본 연구는 서화정 교수의 한성대학교 교내학술연구비 지원과제임.

참고문헌

  1. L. Atzori, A. Iera, and G. Morabito, "The Internet of Things: A survey," Computer Networks, Vol.54, No.15, pp.2787-2805, 2010. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2010.05.010
  2. D. Hong, J. K. Lee, D. C. Kim, D. Kwon, K. H. Ryu, and D. G. Lee, "LEA: A 128-bit block cipher for fast encryption on common processors," in International Workshop on Information Security Applications, Springer, pp.3-27, 2013.
  3. B. Koo, D. Roh, H. Kim, Y. Jung, D.G. Lee, and D. Kwon, "CHAM: A Family of Lightweight Block Ciphers for Resource-Constrained Devices," in International Conference on Information Security and Cryptology (ICISC'17), 2017.
  4. D. Hong, et al., "HIGHT: A new block cipher suitable for low-resource device," in International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, Springer, pp.46-59, 2006.
  5. L. K. Grover, "A fast quantum mechanical algorithm for database search," in Proceedings of the Twenty-eighth Annual ACM Symposium on Theory of Computing, pp.212-219, 1996.
  6. M. Grassl, B. Langenberg, M. Roetteler, and R. Steinwandt, "Applying Grover's algorithm to AES: quantum resource estimates. Post-Quantum Cryptography," PQCrypto 2016, Springer, pp.29-43, 2016.
  7. B. Langenberg, H. Pham, and R. Steinwandt, "Reducing the cost of implementing AES as a quantum circuit," Technical Report, Cryptology ePrint Archive, Report 2019/854, 2019.
  8. S. Jaques, M. Naehrig, M. Roetteler, and F. Virdia, "Implementing Grover oracles for quantum key search on AES and LowMC," in Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Springer, pp.280-310, 2020.
  9. R. Anand, A. Maitra, and S. Mukhopadhyay, "Grover on SIMON," arXiv:2004.10686, 2020.
  10. K. B. Jang, S. J. Choi, H. D. Kwon, and H. J. Seo, "Grover on SPECK : Quantum Resource Estimates," ePrint Archive, Report 2020/640, 2020.
  11. K. B. Jang, S. J. Choi, H. D. Kwon, H. J. Kim, J. H. Park, and H. J. Seo, "Grover on Korean Block Ciphers," Applied Sciences, Vol.10, No.18, pp.6407, 2020. https://doi.org/10.3390/app10186407
  12. D.S . Steiger, T. Haner, and M. Troyer, "ProjectQ: An Open Source Software Framework for Quantum Computing," arXiv:1612.08091, 2016.