Lectura cuántica

El problema de la suplantación de identidad en el caso de que no haya contacto directo se puede resolver utilizando dos propiedades fundamentales de la teoría de la información de la física cuántica:

1. Un solo cuanto en un estado desconocido no puede clonarse. ^{[ 1 ]}
2. Cuando se mide un estado cuántico, la mayor parte de la información que contiene se destruye.

Sobre la base de estos principios, se propuso el siguiente esquema. ^{[ 2 ]}

1. Inscripción . El proceso de inscripción habitual en PUF. No se requiere física cuántica. Los datos de inscripción se consideran públicos.
2. Desafío . Un solo cuanto (por ejemplo, un fotón) se prepara en un estado aleatorio. Se envía a la PUF.
3. Respuesta . El cuanto interactúa con el PUF (por ejemplo, dispersión coherente), lo que da como resultado una transformación unitaria del estado.
4. Verificación . El cuanto se devuelve al verificador. Él sabe exactamente cuál debería ser el estado de respuesta. Este conocimiento le permite realizar una medición de verificación de "sí/no".

Los pasos 2 a 4 se repiten varias veces para reducir exponencialmente la probabilidad de falsa aceptación.

El punto crucial es que el atacante no puede determinar cuál es el desafío real, ya que esa información está empaquetada en un estado cuántico "frágil". Si intenta investigar el estado del desafío midiéndolo, destruye parte de la información. Al no saber dónde buscar exactamente en su base de datos de desafío-respuesta, el atacante no puede generar respuestas correctas de forma fiable.

También se ha propuesto en la literatura una autenticación cuántica de variables continuas de PUF, que se basa en técnicas estándar de conformación de frentes de onda y detección homodina . ^{[ 3 ]}

Utilizando las mismas técnicas, también se ha propuesto en la literatura un esquema óptico para compromisos criptográficos con funciones físicas no clonables. ^{[ 4 ]}

El plan es seguro solo si se cumplen las siguientes condiciones:

• Imposibilidad de clonar físicamente el PUF.
• El atacante no puede realizar transformaciones unitarias arbitrarias sobre el cuanto de desafío (es decir, se supone que la emulación física de la PUF es inviable).

En los sistemas ópticos de dispersión múltiple, los requisitos anteriores pueden cumplirse en la práctica.

La lectura cuántica de PUF es incondicionalmente segura contra la emulación digital, pero condicionalmente segura contra la clonación física y la emulación física.

La lectura cuántica de PUFs logra

• Autenticación de objetos sin necesidad de hardware de confianza junto al objeto.
• Autenticación de un canal de comunicación cuántica sin secretos compartidos previamente y sin partículas entrelazadas compartidas . La autenticación se basa en información pública.

Imaginemos que Alice y Bob desean realizar una distribución de claves cuánticas de forma puntual, es decir, sin haber intercambiado datos ni materia previamente. Ambos poseen una PUF óptica registrada. Consultan los datos de registro de la PUF del otro en una fuente de confianza. Ejecutan la distribución de claves cuánticas a través de ambas PUF ópticas; con una ligera modificación del protocolo, obtienen distribución de claves cuánticas y autenticación bidireccional. La seguridad de su distribución de claves es incondicional, pero la seguridad de la autenticación está condicionada a las dos suposiciones mencionadas anteriormente.

Se ha demostrado la seguridad en el caso de ataques de estimación de desafío, en los que el atacante intenta determinar el desafío lo mejor posible utilizando mediciones. Hay pruebas para n=1, ^{[ 5 ]} para mediciones de cuadratura en estados coherentes ^{[ 6 ]} y para un número fijo de cuantos n>1. ^{[ 7 ]} El resultado para dimensión K y n cuantos es que la probabilidad de falsa aceptación en una sola ronda no puede exceder (n+1)/(n+K).

La seguridad de la autenticación cuántica de variables continuas de PUF frente a un ataque de emulación también se ha abordado en el marco de la cota de Holevo y la desigualdad de Fano, ^{[ 8 ]} así como un ataque de intermediario . ^{[ 9 ]}

Todas las medidas de seguridad mencionadas anteriormente presuponen una configuración de autenticación a prueba de manipulaciones, lo cual es difícil de justificar en un escenario de autenticación remota.

Se ha demostrado en el laboratorio la lectura cuántica de PUF ópticas basadas en moteado. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Esta realización se conoce con el nombre de Autenticación Cuántica Segura.

Este protocolo, al igual que el protocolo de referencia ^{[ 3 ]} , está limitado a distancias cortas (< 10  km) debido a problemas prácticos relacionados con la transmisión de los estados cuánticos. En un entorno clásico, al cifrar las entradas en la base de datos de pares desafío-respuesta, se puede construir un protocolo que opere a distancias arbitrarias y ofrezca seguridad contra adversarios tanto clásicos como cuánticos (incluidos los ataques de emulación) ^{[ 12 ] .}