論文の概要: Experimental Side Channel Analysis of Protocol Stages in Quantum Identity Authentication

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.24639v1
• Date: Mon, 27 Jul 2026 16:35:47 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-28 22:34:15.513616
• Title: Experimental Side Channel Analysis of Protocol Stages in Quantum Identity Authentication
• Title（参考訳）: 量子アイデンティティ認証におけるプロトコルステージの実験側チャネル解析
• Authors: Marwan Elawady, Lance Young, Contessa Wilburn, Blaine Keyton, Carrie Houston, Mohamed Shaban, Muhammad Ismail,
• Abstract要約: 量子ネットワークは分散コンピューティングとセンシングを可能にする。 量子層における量子ビットの認証により、中間者攻撃を緩和する。 秘密鍵に基づいて 位置と基地の量子ビットを認証する 攻撃者がプロトコルステージを推論すると、認証キュービットを回避し、データキュービットを抽出し、認証を非効率にレンダリングする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.201953187371117
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum networks can enable distributed computing and sensing. To realize these capabilities securely, quantum identity authentication is essential. Without authentication at the quantum layer, malicious repeaters may retain entanglement instead of performing swapping, enabling man-in-the-middle attacks (MitM) between communicating parties. Authentication mitigates this threat by embedding authentication qubits within data qubits at positions and bases based on a secret key shared a priori. While prior work analyzes security and MitM detection guarantees, physical layer side channel analysis remains unexplored. If an attacker infers protocol stages, it can avoid authentication qubits and extract data qubits, rendering authentication ineffective. To this end, we carry out experimental studies using a quantum communication testbed. A beam splitter is used to tap a portion of the optical signal, allowing the observer to collect side channel data without disrupting the quantum state. We evaluate two sampling settings, where 30% or 10% of the signal is diverted. The collected side channel data includes photon arrival timing and optical power data obtained using a single-photon detector and a power meter. Using this dataset, we extract and engineer features that capture both timing dynamics and signal intensity variations. We then train machine learning models to classify protocol stages based solely on side channel observations. Our results show that protocol-stage inference is feasible with high accuracy, reaching 98% (F1-score 97%) at 30% sampling and 96% (F1-score 94%) at 10% sampling. These findings reveal an overlooked vulnerability and highlight the need for robust designs against side channel inference attacks.
• Abstract（参考訳）: 量子ネットワークは分散コンピューティングとセンシングを可能にする。 これらの機能を安全に実現するためには、量子ID認証が不可欠である。 量子層での認証がなければ、悪意のあるリピータは交換を行う代わりに絡み合いを保持し、通信相手間の中間攻撃(MitM)を可能にする。 認証は、プライオリを共有する秘密鍵に基づいて、データキュービットに認証キュービットを埋め込むことによって、この脅威を緩和する。 以前の作業ではセキュリティとMitM検出が保証されていたが、物理層側チャネル分析は未調査のままである。 攻撃者がプロトコルステージを推論すると、認証キュービットを回避し、データキュービットを抽出し、認証を非効率にレンダリングする。 そこで我々は,量子通信テストベッドを用いた実験を行った。 ビームスプリッターを使用して光学信号の一部をタップし、観察者が量子状態を乱すことなくサイドチャネルデータを収集する。 信号の30%または10%が発散する2つのサンプリング設定を評価する。 収集された側チャネルデータは、光子到着タイミングと、単光子検出器とパワーメータとを用いて得られる光パワーデータとを含む。 このデータセットを用いて、タイミングダイナミクスと信号強度の変化の両方をキャプチャする特徴を抽出し、設計する。 次に、サイドチャネル観察のみに基づくプロトコルステージの分類のために、機械学習モデルをトレーニングします。 その結果,プロトコルステージ推論は精度が高く,30%サンプリングでは98% (F1-score 97%) ,10%サンプリングでは96% (F1-score 94%) に達した。 これらの発見は、見過ごされた脆弱性を明らかにし、サイドチャネルの推論攻撃に対する堅牢な設計の必要性を強調している。

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