양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정에 관한 암호학적 분석
Cryptographic Analysis of the Post-Processing Procedure in the Quantum Random Number Generator Quantis
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초록
본 논문에서는 양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정에 대하여 암호학의 관점에서 실험을 통하여 안전성과 성능을 분석하였다. Quantis의 후처리 과정은 수학적 이론에 근거한 이진행렬-벡터 곱 연산을 통해 풀엔트로피(full-entropy)를 출력하도록 설계되었고, NIST SP 800-90B의 최소엔트로피(min-entropy) 추정 테스트를 이용하여 이를 검증하였다. 이진행렬-벡터 곱 연산에 최적화 기법을 사용함으로써 난수 생성 속도에 미치는 영향을 최소화하였음을 확인하고, NIST SP 800-90B에서 제시한 검증된 Conditioning과의 난수 출력 성능을 비교하였다. 또한, 미국 NIST와 독일 BSI의 난수발생기 표준 모델과 Quantis의 부합되는 요소와 아닌 요소를 구분하였다. Quantis를암호학의 용도로 사용하고자할 경우, CMVP 기준에 적합하게 이용하기 위해 Quantis의 출력 데이터를 승인된 의사난수발생기의 씨드로 사용하여 출력한 난수를 사용하는 것이 적절하다고 판단된다.
Abstract
In this paper, we analyze the security and performance of the Quantis Quantum random number generator in terms of cryptography through experiments. The Quantis' post-processing is designed to output full-entropy via bit-matrix-vector multiplication based on mathematical background, and we used the min-entropy estimating test of NIST SP 800-90B so as to verify whether the output is full-entropy. Quantis minimizes the effect on the random bit rate by using an optimization technique for bit-matrix-vector multiplication, and compared the performance to conditioning functions of NIST SP 800-90B by measuring the random bit rate. Also, we have distinguished what is in Quantis’ post-processing to the standard model of NIST in USA and BSI in Germany, and in case of applying Quantis to cryptographic systems in accordance with the CMVP standard, it is recommended to use the output of Quantis as the seed of the approved DRBG.
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