論文の概要: Quantum-Secure Physical Unclonable Function enabled by Silicon Photonics Integrated Circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.14959v1
• Date: Thu, 14 May 2026 15:27:30 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-15 21:45:34.911078
• Title: Quantum-Secure Physical Unclonable Function enabled by Silicon Photonics Integrated Circuits
• Title（参考訳）: シリコンフォトニクス集積回路で実現した量子安全物理不閉化機能
• Authors: G. Sarantoglou, N. Tzekas, G. Moustakas, G. A. Karydis, V. Kaminski, E. Protsenko, K. Gradkowski, A. Bazin, C. Vigliar, A. Bogris, C. Mesaritakis,
• Abstract要約: 我々は、単光子状態とPUFを組み合わせた量子読み出しプロトコルを導入し、数値的に評価する。 その結果,10対14という誤差率の低い例外的な性能を示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Physical Unclonable Functions (PUFs) are hardware security primitives whose inherent physical complexity can be exploited for secure authentication and cryptographic key generation. Silicon photonic devices, owing to their suitability for quantum and artificial intelligence applications alongside standard CMOS fabrication processes, constitute a highly promising substrate for integrated multifunctional PUFs. Despite the advanced security guarantees offered by quantum cryptographic protocols and the central role of silicon photonics in quantum technologies, quantum readout strategies based on single-photon states for photonic PUFs remain largely unexplored. In this work, we experimentally demonstrate a silicon nitride (SiN) programmable photonic Mach Zehnder interferometer mesh that implements a unitary transformation and operates as a PUF, whose secret physical signature arises from uncontrollable waveguide variations during fabrication. Using experimentally derived parameters from the SiN integrated mesh, we further introduce and numerically evaluate a quantum readout protocol that combines single-photon states with PUFs. Maximally mixed quantum states are employed to conceal the underlying unitary transformation from passive eavesdropping. Security against adversaries possessing devices fabricated under similar conditions is assessed, with authentication performance quantified through Monte Carlo analysis of the false acceptance and false rejection rates as a function of the number of detected events and corrected errors. The results indicate exceptional performance with equal error rates as low as 10 to the minus 14, highlighting the potential of quantum secure PUFs for high security authentication applications.
• Abstract（参考訳）: Physical Unclonable Function (PUF) はハードウェアセキュリティのプリミティブであり、セキュリティ認証と暗号鍵生成に固有の物理的複雑さを利用することができる。 シリコンフォトニックデバイスは、標準的なCMOS製造プロセスと並んで量子および人工知能アプリケーションに適しているため、統合多機能PUFのための非常に有望な基板を構成する。 量子暗号プロトコルによって提供される高度なセキュリティ保証と、量子技術におけるシリコンフォトニクスの中心的な役割にもかかわらず、フォトニックPUFの単一光子状態に基づく量子読み出し戦略はほとんど解明されていない。 本研究では,シリコン窒化ケイ素(SiN)プログラム型フォトニックMach Zehnder干渉計メッシュを試作し,一元変換を実装してPUFとして動作させる。 さらに、SiN集積メッシュから実験的に導出されたパラメータを用いて、単光子状態とPUFを結合した量子読み出しプロトコルを紹介し、数値的に評価する。 最大混合量子状態は、基礎となるユニタリ変換を受動的盗聴から隠蔽するために用いられる。 同様の条件で製造された装置を保有する敵に対するセキュリティを評価し、検出されたイベントの数と修正されたエラーの関数として、モンテカルロ分析により偽の受け入れと偽の拒絶率の認証性能を定量化する。 その結果,高いセキュリティ認証アプリケーションに対する量子セキュアPUFの可能性を明らかにするため,エラーレートが10から14まで低い例外的な性能を示した。

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