論文の概要: Security Boundaries of Quantum Key Reuse: A Quantitative Evaluation Method for QKD Key Rotation Interval and Security Benefits Combined with Block Ciphers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.21561v1
• Date: Thu, 25 Dec 2025 08:13:02 GMT
• ステータス: 情報取得中
• システム内更新日: 2025-12-29 11:52:48.289651
• Title: Security Boundaries of Quantum Key Reuse: A Quantitative Evaluation Method for QKD Key Rotation Interval and Security Benefits Combined with Block Ciphers
• Title（参考訳）: 量子鍵再利用のセキュリティ境界:ブロック暗号と組み合わせたQKD鍵回転間隔とセキュリティベネフィットの定量的評価法
• Authors: Xiaoming Chen, Haoze Chen, Fei Xu, Meifeng Gao, Jianguo Xie, Cheng Ye, An Hua, Jiao Zhao, Minghan Li, Feilong Li, Yajun Miao, Wei Qi,
• Abstract要約: 量子鍵分配(QKD)技術は情報理論のセキュリティを提供するが、その限られた帯域幅は古典暗号と組み合わせる必要がある。 本研究では,QKD鍵とブロック暗号の両方の使用に着目し,鍵回転間隔の正確な計算モデルを構築する。 セキュリティレベルを高める上で鍵回転間隔の利点を定量化するため、単一のキーで安全に暗号化できるファイルの最大数を導出する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.888467368587355
• License:
• Abstract: With the rapid development of quantum computing, classical cryptography systems are facing increasing security threats, making it urgent to build architectures resilient to quantum attacks. Although Quantum Key Distribution (QKD) technology provides information-theoretic security, its limited bandwidth requires it to be combined with classical cryptography-particularly block ciphers such as AES and SM4-in practical deployments.However, when a single key is used to process multiple multi-block files, the resulting reduction in security strength has not yet been systematically quantified.In this work, we focus on the use of both QKD keys and block ciphers, and construct a precise calculation model for the key rotation interval. We further propose a quantitative method to evaluate the security benefit of using QKD keys for block cipher. Building on concrete security models and the security properties of various block cipher modes (CTR, CBC, and ECBC-MAC), we derive the maximum number of files that can be safely encrypted under a single key, denoted Q*, and quantify the benefits of key rotation interval in enhancing security levels. Using SM4 as a case study, our results show that, under an 80-bit security target, uniformly performing k key rotations can increase the security strength by log2(k) to 2log2(k) bits. This study provides theoretical support and a basis for parameter optimization for the integrated application of QKD keys with classical cryptographic algorithms and the engineering deployment of cryptographic systems.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングの急速な発展に伴い、古典的な暗号システムはセキュリティ上の脅威の増大に直面している。 量子鍵配信(QKD)技術は情報理論のセキュリティを提供するが、その帯域幅は限られており、AESやSM4のような古典的なブロック暗号と組み合わせる必要がある。しかし、複数のマルチブロックファイルを処理するために単一のキーを使用する場合、セキュリティ強度の低下は体系的に定量化されていない。この記事では、QKDキーとブロック暗号の両方の使用に焦点を当て、鍵回転間隔の正確な計算モデルを構築している。 さらに,ブロック暗号にQKDキーを使用する場合のセキュリティ上のメリットを評価するための定量的手法を提案する。 具体的なセキュリティモデルと各種ブロック暗号モード(CTR,CBC,ECBC-MAC)のセキュリティ特性に基づいて,セキュリティレベル向上におけるキーローテーション間隔の利点を定量化する。 SM4をケーススタディとして,80ビットのセキュリティターゲットの下で,k鍵回転を均一に行うことで,log2(k) から2log2(k) ビットのセキュリティ強度を増大させることができることを示す。 本研究は,古典的暗号アルゴリズムを用いたQKD鍵の応用と,暗号システムの工学的展開のためのパラメータ最適化の理論的支援と基礎を提供する。

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