Quantum implementations of block ciphers
Blok şifrelemelerin kuantum uygulamaları
- Tez No: 965543
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OĞUZ YAYLA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Matematik, Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Physics and Physics Engineering, Mathematics, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Kuantum kriptografi, Quantum cryptography
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Uygulamalı Matematik Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kriptografi Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kuantum hesaplamadaki gelişmeler, hafif blok şifre (LBC) uygulamalarının kuantum saldırılarına karşı yeniden değerlendirilmesini gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada, Feistel yapılı $\rm SLIM$ ve $\rm MIBS$ algoritmaları için ilk kuantum devre uygulamaları ve kapsamlı güvenlik analizleri sunulmaktadır. Şifrelerin tersinir mimarilerinden yararlanılarak, derinlik açısından optimize edilmiş yardımcı kubit gerektirmeyen devreler tasarlanmaktadır. Bu bağlamda, $\rm SLIM$-80 için 112 kubit ve 4,066 derinlikle 30,404 kuantum maliyetine ulaşılırken, $\rm MIBS$-64 ve $\rm MIBS$-80 için sırasıyla 128 ve 144 kübitle 4,768'lik derinliğe sahip 23,371 ve 24,363 kuantum maliyetli devreler gerçekleştirilmiştir. Takiben, Grover tabanlı saldırı senaryolarında NIST PQC standardının maksimum derinlik ($\texttt{MAXDEPTH}$) kısıtlaması altında şifrelerin güvenlik seviyeleri analiz edilmiştir. Önerilen çoklu veri çiftli kahin devreleri kullanılarak, $\rm SLIM$-80 ve $\rm MIBS$-80 için saldırı maliyeti 2$^{111}$, $\rm MIBS$-64 içinse 2$^{94}$ olarak hesaplanmış, NIST'in Seviye-1 güvenlik eşiği olan 2$^{170}$'in altında kalındığı gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, şifrelerin hafiflik ve klasik verimliliklerine rağmen kuantum tehditlerine karşı savunmasız olduklarını ve önerilen çerçevenin Feistel şifreler için kuantum direnç analizi açısından etkin bir yaklaşım sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The emergence of quantum computing demands rigorous reassessment of classical cryptographic primitives, particularly lightweight block ciphers (LBCs). This work addresses this critical need by presenting the first comprehensive quantum implementation and security analysis of the Feistel-based LBCs $\rm SLIM$ and $\rm MIBS$ against quantum cryptanalysis. Leveraging the inherent reversibility of the ciphers, we develop novel ancilla-free quantum circuits optimizing qubit utilization and depth. For $\rm SLIM$-80, our design achieves 30,404 quantum cost with 112 qubits and depth of 4,066. For $\rm MIBS$-64 and $\rm MIBS$-80, we implement circuits with 23,371 and 24,363 quantum costs requiring 128 and 144 qubits, respectively, and a uniform depth of 4,768. We then quantify vulnerability to Grover's key-search under the NIST PQC security constraint $\texttt{MAXDEPTH}$. By constructing Grover oracles under inner parallelization with multiple plaintext-ciphertext pairs to suppress false positives, we demonstrate total attack costs of $2^{111}$ for $\rm SLIM$-80 and $\rm MIBS$-80, and $2^{94}$ for $\rm MIBS$-64. These costs fall below NIST's Level-1 security threshold ($2^{170}$), confirming both ciphers' susceptibility to quantum threats despite their lightweight efficiency. Our methodology establishes a quantum implementation framework for Feistel ciphers, revealing critical trade-offs among qubit efficiency, depth, and quantum resilience.
Benzer Tezler
- Ni-B ikili alaşım sisteminde Ni zengin bazı ara fazların manyetik özellikleri
Magnetic properties of some Ni rich intermediate phases in Ni-B binary alloy system
R.HALUK MUTLU
Doktora
Türkçe
1987
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ARSIN AYDINURAZ
- Nükleer magnetik rezonansın kuvantum ilkelerine giriş
Başlık çevirisi yok
H.HANDAN GÜRBÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYATİ BUDAK
- Parçacık dedektörleri
Başlık çevirisi yok
EMEL BAŞARAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLSEN ÖNENGÜT
- CO lazerleri
CO lasers
ŞEREF TURHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ATİLLA ÖZMEN