論文の概要: Non-unitary Quantum Physical Unclonable Functions: Modelling, Simulation, and Evaluation under Open Quantum Dynamics

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.01514v1
• Date: Mon, 03 Nov 2025 12:26:59 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-05 16:37:27.255597
• Title: Non-unitary Quantum Physical Unclonable Functions: Modelling, Simulation, and Evaluation under Open Quantum Dynamics
• Title（参考訳）: 非ユニタリ量子非包含関数:オープン量子ダイナミクスによるモデリング、シミュレーション、評価
• Authors: Mohammadreza Vali, Hossein Aghababa, Nasser Yazdani,
• Abstract要約: 量子力学は自然に本質的なランダム性や非閉定理を通じてゴールを支えている。 この研究は、オープン量子システムのダイナミクスをセキュリティの基礎として活用する、新しい一元的でないQPUFのクラスを導入している。 エントロピー源として振幅減衰を用いるD-QPUF(D-QPUF)、中間回路計測と条件ユニタリを用いる測定フィードバックQPUF(MF-QPUF)、リンドブラッドマスター方程式とトロッターによるマルコフ雑音をモデル化するリンドブラディアンQPUF(L-QPUF)の3つのアーキテクチャが提案されている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.1470070927586018
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Physical Unclonable Functions (PUFs) provide hardware-level security by exploiting intrinsic randomness to produce device-unique responses. However, machine learning and side-channel attacks increasingly undermine their classical assumptions, calling for new approaches to ensure unforgeability. Quantum mechanics naturally supports this goal through intrinsic randomness and the no-cloning theorem, motivating the study of Quantum Physical Unclonable Functions (QPUFs). Yet, existing QPUF models often assume ideal unitary dynamics, neglecting non-unitary effects such as decoherence and dissipation that arise in real quantum devices. This work introduces a new class of non-unitary QPUFs that leverage open quantum system dynamics as a foundation for security. Three architectures are proposed: the Dissipative QPUF (D-QPUF), which uses amplitude damping as an entropy source; the Measurement-Feedback QPUF (MF-QPUF), which employs mid-circuit measurements and conditional unitaries; and the Lindbladian QPUF (L-QPUF), which models Markovian noise via the Lindblad master equation and Trotter-Suzuki decomposition. Simulation results show that these non-unitary designs achieve strong uniqueness, uniformity, and unforgeability, with controllable reliability trade-offs from stochastic noise. The L-QPUF, in particular, exhibits exponential modeling resistance under limited challenge-response access. By reframing environmental noise as a constructive resource, this work establishes a framework for noise-aware quantum hardware authentication and highlights non-unitary evolution as a viable foundation for post-quantum security.
• Abstract（参考訳）: Physical Unclonable Function (PUF) は、ハードウェアレベルのセキュリティを提供する。 しかし、機械学習とサイドチャネル攻撃は古典的な仮定を弱体化させている。 量子力学はこの目的を本質的にランダム性(英語版)と非閉化定理(英語版)(no-cloning theorem)を通じて自然に支持し、量子物理学的非閉関数(QPUF)の研究を動機付けている。 しかし、既存のQPUFモデルは理想のユニタリ力学を前提としており、実際の量子デバイスで発生する非ユニタリ効果(デコヒーレンスや散逸など)を無視している。 この研究は、オープン量子システムのダイナミクスをセキュリティの基礎として活用する、新しい一元的でないQPUFのクラスを導入している。 エントロピー源として振幅減衰を用いる散逸QPUF(D-QPUF)、中間回路計測と条件ユニタリを用いる測定フィードバックQPUF(MF-QPUF)、リンドブラッドマスター方程式とトロッタスズキ分解によるマルコフ雑音をモデル化するリンドブラディアンQPUF(L-QPUF)の3つのアーキテクチャが提案されている。 シミュレーションの結果、これらの非単体設計は、確率的ノイズから制御可能な信頼性トレードオフを伴って、強い一意性、均一性、および非鍛造性を達成できることが示されている。 特にL-QPUFは、限定的なチャレンジ応答アクセス下での指数的モデリング耐性を示す。 この研究は、環境騒音を建設的資源とすることで、ノイズ対応量子ハードウェア認証の枠組みを確立し、量子後セキュリティの有効な基盤として非単体進化を強調する。

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