Fugu-MT 論文翻訳(概要): An Improved ChaCha Algorithm Based on Quantum Random Number

論文の概要: An Improved ChaCha Algorithm Based on Quantum Random Number

arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.18157v1
Date: Thu, 24 Jul 2025 07:50:17 GMT
ステータス: 翻訳完了
システム内更新日: 2025-07-25 15:10:43.209248
Title: An Improved ChaCha Algorithm Based on Quantum Random Number
Title（参考訳）: 量子ランダム数に基づく改良ChaChaアルゴリズム
Authors: Chao Liu, Shuai Zhao, Chenhao Jia, Gengran Hu, Tingting Cui,
Abstract要約: 量子乱数、すなわち量子乱数拡張ChaCha(QRE-ChaCha)に基づく改良された変種を提案する。具体的には、設計XORは、初期定数を量子乱数で周期的に注入し、選択した状態語に量子乱数を注入する。現在のChaChaと比較すると、差分攻撃に対する強い抵抗を示し、統計的ランダム性を持つキーストリームを生成する。
参考スコア（独自算出の注目度）: 5.078966433837036
License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
Abstract: Due to the merits of high efficiency and strong security against timing and side-channel attacks, ChaCha has been widely applied in real-time communication and data streaming scenarios. However, with the rapid development of AI-assisted cryptanalysis and quantum computing technologies, there are serious challenges to the secure implementation of ChaCha cipher. To further strengthen the security of ChaCha cipher, we propose an improved variant based on quantum random numbers, i.e., Quantum Random Number Enhanced ChaCha (QRE-ChaCha). Specifically, the design XORs the initial constants with quantum random numbers and periodically injects quantum random numbers into selected state words during odd rounds to enhance diffusion. Compared with the original ChaCha, the present variant shows stronger resistance to differential attacks and generates a keystream with statistical randomness, thereby offering increased robustness against both classical and quantum attacks. To evaluate the security and performance of the present ChaCha, our analysis proceeds in three main parts. Firstly, we analyze its theoretical security in terms of quantum randomness and attack testing, and conduct differential cryptanalysis with an automated search method based on the Boolean satisfiability problem (SAT). Secondly, we subject the keystream generated by the cipher to randomness tests using the NIST statistical test suite and the GM/T 0005-2021 randomness testing standard. Finally, we assess its encryption and decryption performance by measuring its encryption speed on files of various sizes. According to the results, the present ChaCha is significantly improved to resist differential attacks while maintaining the high efficiency of the original ChaCha cipher, and its keystream successfully passes statistical randomness tests using the NIST and GM/T 0005-2021 standards, meeting cryptographic application requirements.
Abstract（参考訳）: 高い効率性と、タイミングとサイドチャネル攻撃に対する強力なセキュリティのため、ChaChaはリアルタイム通信やデータストリーミングのシナリオに広く適用されてきた。しかし、AIによる暗号解析と量子コンピューティング技術の急速な発展に伴い、ChaCha暗号の安全な実装には深刻な課題がある。さらに、ChaCha暗号のセキュリティを強化するために、量子乱数、すなわち量子乱数拡張ChaCha(QRE-ChaCha)に基づく改良された変種を提案する。具体的には、設計XORは、初期定数を量子ランダム数で周期的に注入し、奇数ラウンド中に選択された状態ワードに量子ランダム数を注入して拡散を高める。元のChaChaと比較すると、現在の変種は差分攻撃に対する強い抵抗を示し、統計的ランダム性を持つキーストリームを生成し、古典的攻撃と量子的攻撃の両方に対してロバスト性を高める。現在のChaChaの安全性と性能を評価するために、分析は3つの主要な部分で進行する。まず、量子乱数性と攻撃試験の観点からその理論的安全性を分析し、Boolean satisfiability problem (SAT)に基づく自動探索法を用いて差分暗号解析を行う。次に,NIST統計テストスイートとGM/T 0005-2021ランダムネステスト標準を用いて,暗号によって生成されたキーストリームをランダムネステストに適用する。最後に,様々なサイズのファイル上での暗号化速度を測定することにより,暗号化性能と復号化性能を評価する。その結果, 現在のChaChaは, 元のChaCha暗号の高効率性を保ちながら, 差動攻撃に対する抵抗性を著しく向上し, そのキーストリームは, NISTおよびGM/T 0005-2021標準を用いた統計的ランダム性試験に成功し, 暗号アプリケーション要件を満たした。

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