論文の概要: Quantum Physical Unclonable Function based on Chaotic Hamiltonians

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.01004v1
• Date: Sun, 31 Aug 2025 21:53:17 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-04 15:17:03.497467
• Title: Quantum Physical Unclonable Function based on Chaotic Hamiltonians
• Title（参考訳）: カオスハミルトニアンに基づく量子物理学的非閉関数
• Authors: Soham Ghosh, Holger Boche, Marc Geitz,
• Abstract要約: QPUF(Quantum Physical Unclonable Function)は、ハードウェアベースの暗号プリミティブで、強力な理論的セキュリティを持つ。 それまでの作業では、擬似ランダムなユニタリ設計を使用してこの問題に対処したが、ブラックボックスのクエリアクセスしか持たない限られた敵モデルでしか解決できなかった。 カオス量子力学に基づく新しいQPUF構成を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 34.406660808435724
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum Physical Unclonable Functions (QPUFs) are hardware-based cryptographic primitives with strong theoretical security. This security stems from their modeling as Haar-random unitaries. However, implementing such unitaries on Intermediate-Scale Quantum devices is challenging due to exponential simulation complexity. Previous work tackled this using pseudo-random unitary designs but only under limited adversarial models with only black-box query access. In this paper, we propose a new QPUF construction based on chaotic quantum dynamics. We modeled the QPUF as a unitary time evolution under a chaotic Hamiltonian and proved that this approach offers security comparable to Haar-random unitaries. Intuitively, we show that while chaotic dynamics generate less randomness than ideal Haar unitaries, the randomness is still sufficient to make the QPUF unclonable in polynomial time. We identified the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model as a candidate for the QPUF Hamiltonian. Recent experiments using nuclear spins and cold atoms have shown progress toward achieving this goal. Inspired by recent experimental advances, we present a schematic architecture for realizing our proposed QPUF device based on optical Kagome Lattice with disorder. For adversaries with only query access, we also introduce an efficiently simulable pseudo-chaotic QPUF. Our results lay the preliminary groundwork for bridging the gap between theoretical security and the practical implementation of QPUFs for the first time.
• Abstract（参考訳）: QPUF(Quantum Physical Unclonable Function)は、ハードウェアベースの暗号プリミティブで、強力な理論的セキュリティを持つ。 このセキュリティは、ハール・ランドム・ユニタリー(Haar-random unitary)としてのモデリングに由来する。 しかし,中間規模量子デバイス上でのこのようなユニタリの実装は,指数的シミュレーションの複雑さのため困難である。 それまでの作業では、擬似ランダムなユニタリ設計を使用してこの問題に対処したが、ブラックボックスのクエリアクセスしか持たない限られた敵モデルでしか解決できなかった。 本稿では,カオス量子力学に基づく新しいQPUF構成を提案する。 我々は、QPUFをカオスハミルトニアンの下でのユニタリ時間進化としてモデル化し、このアプローチがハールランドムのユニタリに匹敵するセキュリティを提供することを示した。 直感的には、カオス力学は理想的なハールユニタリよりもランダム性が少ないが、このランダム性は多項式時間においてQPUFを拘束不能にするのに十分であることを示す。 我々は、Sachdev-Ye-Kitaevモデル(SYK)をQPUFハミルトニアン候補として同定した。 核スピンと低温原子を用いた最近の実験は、この目標を達成するための進歩を示している。 近年の実験的進歩に触発されて,光学式カゴメ格子を用いたQPUFデバイスを実現するためのアーキテクチャを提案する。 クエリアクセスのみの敵に対しては、効率的にシミュレート可能な擬似カオスQPUFも導入する。 この結果から,理論セキュリティとQPUFの実践的実装のギャップを埋める上での予備的な基礎となるものとなった。

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