Geri Dön

Quantum implementations of block ciphers

Blok şifrelemelerin kuantum uygulamaları

  1. Tez No: 965543
  2. Yazar: HASAN ÖZGÜR ÇILDIROĞLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OĞUZ YAYLA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Matematik, Computer Engineering and Computer Science and Control, Physics and Physics Engineering, Mathematics
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Uygulamalı Matematik Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kriptografi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 93

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

  1. Tez No

    716889

    Analyzes of block recombination and lazy interpolation methods and their applications to saber

    Block recombination ve lazy ınterpolation metodlarının analizi ve saber üzerinde uygulamaları

    BERKİN AKSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    MatematikOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kriptografi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT CENK

  2. Tez No

    963455

    Hardware implementation of the post-quantum cryptography algorithm falcon

    Kuantum sonrası kriptografi algoritması falcon'un donanım gerçeklemesi

    YASİN YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN

  3. Tez No

    610767

    High performance number theoretic transforms in cryptography

    Kriptografide yüksek performanslı sayı kuramsal dönüşümler

    METİN EVRİM ULU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    MatematikOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kriptografi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT CENK

  4. Tez No

    680357

    Efficient hardware implementations for lattice-based cryptography primitives

    Kafes-tabanlı kriptografi öğeleri için verimli donanım uygulamaları

    AHMET CAN MERT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDİNÇ ÖZTÜRK

  5. Tez No

    760471

    Accelerating lattice-based cryptosystems

    Lattice-tabanlı kripto-sistemler hızlandırıcısı

    KEMAL DERYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKAY SAVAŞ

Geri Dön