The Role of Quantum Cryptanalysis in Cyber Defense

Year 2019, Volume: 29 Issue: 2, 179 - 202, 31.12.2019

Muharrem Tuncay Gençoğlu

Abstract

The importance of security in cyber world becomes clear as a result of developing quantum technologies. Therefore, in this study, quantum techniques used in cyber defense are tried to be explained. In this respect, basic information about quantum mechanics is given. Furthermore, the generation of quantum random numbers that uses quantum physics to generate random numbers that are essential in the generation of cryptographic algorithms and protocol parameters, encryption and decryption keys in modern cryptography is mentioned. Quantum cryptography that provides the security of the secret key that is not affected by technological developments and that provides permanent confidentiality has been explained. The security of the secret key is the most serious problem in modern cryptosystems. Quantum Key Distribution (KAD) protocols and their working principles are mentioned.

Where quantum cryptography exists, there must be quantum cryptanalysis that is defined as the art or science of decoding and reading encrypted information. Quantum Cryptanalysis is a cryptographic field of application which deals with the decryption of keys by using some quantum

180 Gençoğlu

mechanical systems and quantum mechanical effects, briefly quantum computers. The algorithms used in quantum cryptanalysis are mentioned and the quantum computer to operate them is explained. In order to avoid lagging behind the scientific and technological developments, it has been emphasized in the conclusion that urgent technologies such as KRSÜ, quantum cryptography, quantum cryptanalysis, quantum computer, and quantum communication should be focused on. Due to the lack of sufficient Turkish resources on both quantum cryptography and quantum cryptanalysis, this research article was written in order to contribute to national cyber security studies.

Keywords

Cyber Defence, Quantum Algorithms, Quantum Random Number Generator, Quantum Cryptanalysis

KUANTUM KRİPTOANALİZİN SİBER SAVUNMADAKİ YERİ

Abstract

Bu çalışmada gelişen kuantum teknolojileri ile birlikte siber dünyada güveliğin öneminin daha da belirginleşmesi nedeniyle bu alanda kullanılan kuantum teknikler anlatılmaya çalışılmıştır. Bu doğrultuda kuantum mekaniği hakkında temel bilgiler de verilmiştir. Ayrıca modern kriptografide, kriptografik algoritma ve protokol parametrelerinin, şifreleme ve şifre çözme anahtarlarının oluşturulmasında esas teşkil eden rastgele sayıları üretmek için kuantum fiziğini kullanan kuantum rastgele sayı üretiminden bahsedilmiştir. Modern kripto sistemlerde en ciddi sorun olan gizli anahtarın güvenliğini, teknolojik gelişmelerden etkilenmeden ve kalıcı olarak gizliliğini sağlayan, bir başka deyişle, siber alandaki güvenliği kuantum mekaniğine dayanarak sağlayan kuantum kriptografi açıklanmıştır. Kuantum Anahtar Dağıtım (KAD) protokolleri ve bunların çalışma ilkeleri belirtilmiştir.
Kuantum kriptografinin olduğu yerde mutlaka, kriptografinin aksine gizli yazıları çözme ve okuma sanatı ya da bilimi olarak tanımlanan kriptanalizin kuantum alanında da var olan, kuantum kriptanaliz de olmak zorundadır. Kuantum Kriptoanaliz, bazı kuantum mekaniksel sistemlerden, bir takım kuantum mekaniksel etkilerden yararlanarak yani kısacası kuantum bilgisayarlar kullanarak şifre kırmayla ilgilenen kriptografik bir uygulama alanıdır. Kuantum kriptoanalizde kullanılan algoritmalara değinilmiş ve bunları işletecek kuantum bilgisayar anlatılmıştır. Yaşanan bilimsel ve teknolojik gelişmelerin gerisinde kalmamak adına hızlı bir şekilde KRSÜ, kuantum kriptografi, kuantum kriptoanaliz, kuantum bilgisayar, kuantum haberleşme gibi teknolojiler üzerinde yoğunlaşılması gerektiği sonuç kısmında özellikle vurgulanmıştır. Hem kuantum kriptografi hem de kuantum kriptoanaliz hakkında yeteri kadar Türkçe kaynağın olmaması nedeniyle bu araştırma makalesi, millî siber güvenlik çalışmalarına katkıda bulunması amacıyla kaleme alınmıştır.

Keywords

Siber Savunma, Kuantum Algoritmaları, Kuantum Rastgele Sayı Üreteci, Kuantum Kriptoanaliz.

References

• Kitaplar
• Dereli, T. Verçin, A. (2009). Kuantum mekaniği temel kavramlar ve uygulamaları. Anakara: Tüba Yayınları.
• Nielsen, M. A. Chuang, I. L. (2000). Quantum computation and quantum ınformation. London: Cambridge University Press.
• Trappe, W. Washington, L. C. (2002). Introduction to cryptography with coding theory. Toronto: Prentice-Hall, Inc.
• Williams, C. P. Clearwater, S. H. (1998). Explorations in quantum computing. Springer-Verlag NewYork: TELOS.
• Makaleler
• Bennet, C. H. Brassard, G. (1984). Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing, Proc. Int’l Conf. Computers, Systems & Signal Processing, CS Press, 175–179.
• Beth, T. Mueller-Quade, J., Steinwandt, R. (2004). Cryptanalysis of a practical quantum key distribution with polarization-entangled photons. Quantum Physics, 12, 3865-387.
• Boyacı, U. K. (2013). Günümüzde kriptoloji. UEKAE Dergisi, 1, 32-41.
• Dereli, T. (2009).İletişimde mutlak güvenlik için kuantum kriptografi, Bilim Teknik, Temmuz(500), 54-57.
• Ege, B. (2012). Kuantum mekaniğinden kuantum bilgisayarlarına. Bilim Teknik, Ekim(539), 12-15.
• Elliott, C. (2004). Quantum cryptography. Security & Privacy Magazine, IEEE, 2(4), 57–61.
• Gedik, Z. (2009). Kuantum bilgisayarları, Bilim Teknik, Temmuz(500), 58-59.
• Kalem, Ş. (2013). Kuantum bilgi güvenliğine doğru, UEKAE Dergisi, 1, 42-47.
• Gisin, N. Ribordy, G. Tittel, W. Zbinden, H. (2002). Quantum cryptography. Reviews of Modern Physics, 1-57.
• Mullins, J. (2002). Making unbreakable code, Spectrum. IEEE, 39(5), 40–45.
• Rosales, J. Martin, V. (2016). Quantum simulation of the factorization problem. Phys. Rev. Lett. 117, 200502.
• Rosales, J. Martin, V. (2018). Quantum simulation of the integer factorization problem: Bell states in a penning trap. Phys. Rev. Lett. A 97, 032325. 198 Gençoğlu
• Scarani, V. Bechmann-Pasquinucci, H. Cerf, N. J., Dusek, M., Lutkenhaus, N., Peev, M. (2009). The security of practical quantum key distribution. Reviews of Modern Physics, 1301-1351.
• Yamamura, A. Ishizuka, H. (2000). Quantum cryptanalysis of block ciphers. Research Institute for Mathematical Sciences, Kyoto University, 1166, 235-243.
• Kongre bildirileri
• Bonnetain, X. Plasencia, M. (2018). Hidden shift quantum cryptanalysis and implications. 24th International Conference on the Theory and Application of Cryptology and Information Security, December 2–6, Australia, 560- 592.
• Gümüş, E. (2011). Kuantum kriptografi ve anahtar aağıtım protokolleri. Akademik Bilişim Konferansı, 2-4 Şubat, Malatya, 547-552.
• Toyran, M. (2006). EEB Mühendisliklerinde kuantum hesaplama eğitimi. 3. EEB Mühendislikleri Eğitimi Sempozyumu, 16-18 Kasım, İatanbul, 31-35.
• Toyran, M. (2011). Bilgi güvenliğinde kuantum teknikler. IV.Ağ ve Bilgi Güvenliği Ulusal Sempozyumu, 25-26 Kasım, Ankara, 98-107