Применение квантовых генераторов случайных чисел в системах защиты информации: анализ и прототипирование

Н. В. Кучкарова, А. Д. Ерошкин

Аннотация


В представленной работе проведен анализ существующих квантовых генераторов случайных чисел (КГСЧ) в контексте их использования в средствах защиты информации. Проведена классификация КГСЧ по трем основным критериям: природе квантового явления, уровню доверия и проверки, архитектуре и уровню обработки данных. Сделаны выводы о возможности применения определенных видов КГСЧ в задачах обеспечения информационной безопасности. В качестве примера реализации КГСЧ разработан прототип квантового генератора паролей, обеспечивающий криптографически стойкую случайность за счёт фундаментальной непредсказуемости квантовых измерений. Алгоритм генерации реализован на языке квантового программирования Q# и использует суперпозицию кубитов с последующим проективным измерением в вычислительном базисе.

Ключевые слова


Генератор псевдослучайных чисел; квантовый компьютер; средства защиты информации; квантовый генератор случайных паролей.

Полный текст:

PDF

Литература


Acín A., Masanes L. Certified randomness in quantum physics // Nature, vol. 540, no. 7632, pp. 213–219, Dec. 2016. DOI: 10.1038/nature20119.

J. F. Dynes, Z. L. Yuan, A. W. Sharpe, and A. J. Shields A high speed, postprocessing free, quantum random number generator Appl. Phys. Lett., vol. 93, no. 3, p. 031109, Jul. 2008. DOI: 10.1063/1.2961000. EDN: HZPIOU.

Herrero-Collantes M., Garcia-Escartin J. C. Quantum random number generators // Rev. Mod. Phys., vol. 89, no. 1, p. 015004, Jan. 2017. DOI: 10.1103/RevModPhys.89.015004. EDN: YYBPPP.

Jacak, M.M., Jóźwiak, P., Niemczuk, J. et al. Quantum generators of random numbers // Sci Rep 11, 16108 (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-95388-7. DSN: CFWGXV.

Jofre M. et al. True random numbers from amplified quantum vacuum // Optics Express, 19(21), 20665–20672. DOI: 10.1364/oe.19.020665.

Mannalath V., Mishra S., Pathak A. A comprehensive review of quantum random number generators: Concepts, classification and the origin of randomness. 2022. arXiv. https://arxiv.org/abs/2203.00261.

Ma X., et al. Quantum random number generation // npj Quantum Information, 2, 16021. 2016. DOI: 10.1038/npjqi.2016.21. EDN: XRQVBC.

Kaiser F. et al. Integrated photonic quantum random number generator // APL Photonics, vol. 5, no. 11, p. 116104, Nov. 2020. DOI: 10.1063/5.0022362.

Kelsey J., Schneier B., Wagner D., Hall C. Cryptanalytic Attacks on Pseudorandom Number Generators // Fast Software Encryption. FSE 1998. Lecture Notes in Computer Science, vol 1372. Springer, Berlin, Heidelberg. P. 168–188. DOI: 10.1007/3-540-69710-1_12.

Turan M. S., et al. Recommendation for the entropy sources used for random bit generation (Draft), NIST Special Publication (SP) 800-90B, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2016. DOI: 10.6028/NIST.SP.800-90B.

Wang Y. et al. Spin-based quantum random number generation using NV centers in diamond // Quantum Sci. Technol., vol. 7, no. 3, p. 035021, Jul. 2022. DOI: 10.1088/2058-9565/ac6d9e.

Вилаков Н. В., Бочаров М. И. Способы защиты криптовалютных блокчейн-систем и систематизация угроз // СИИТ. 2025. Т. 7, № 2(21). С. 143-154. DOI: 10.54708/2658-5014-SIIT-2025-no2-p147. EDN: CXNIYP. [[Vilakov N. V., Bocharov M. I. Methods of protecting cryptocurrency blockchain systems and systematization of threats // SIIT. 2025. Vol. 7, No. 2(21). P. 143-154. (In Russian).]]

Жизан Н. Квантовая случайность: Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса. Альпина нон-фикшн, 2023. ISBN: 978-5-9614-4088-1. [[Zhizan N. Quantum Randomness: Nonlocality, Teleportation, and Other Quantum Miracles. Alpina Non-Fiction, 2023. (In Russian).]]

Кучкарова Н. В. Оценка актуальных угроз и уязвимостей объектов критической информационной инфраструктуры с использованием технологий интеллектуального анализа текстов // СИИТ. 2024. Т. 6, № 2(17). С. 50-65. DOI: 10.54708/2658-5014-SIIT-2024-no2-p50. EDN: NLDWBE. [[Kuchkarova N. V. Assessment of current threats and vulnerabilities of critical information infrastructure objects using text mining technologies // SIIT. 2024. Vol. 6, No. 2(17). P. 50 65. (In Russian).]]

Слеповичев И. И. Генераторы псевдослучайных чисел: Учебное пособие. Саратов: СГУ, 2017. Т. 117. [[Slepovichev I.I. Pseudorandom number generators (Study Guide). Saratov: Saratov State Univ., 2017, vol. 117. (In Russian).]]

Файер М Абсолютный минимум. Изд. дом «Питер», 2016. 384 с. ISBN 978-5-496-01069-6. [[Fayer M. The Absolute Minimum. Piter, 2016. ISBN 978-5-496-01069-6. (In Russian).]]

Хайруллин Э. Р., Вульфин А. М., Васильев В. И., Мандовен С. А. Нейросетевая система обнаружения сетевых атак // СИИТ. 2025. Т. 7, № 1(20). С. 105-112. DOI: 10.54708/2658-5014-SIIT-2025-no1-p105. EDN: GVIQLO. [[Khairullin E. R., Vulfin A. M., Vasiliev V. I., Mandoven S. A. Neural network system for detecting network attacks // SIIT. 2025. T. 7, No. 1(20). pp. 105-112. (In Russian).]]




DOI: https://doi.org/10.54708/SIIT-2026-no1-p32

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


(c) 2025 Н. В. Кучкарова, А. Д. Ерошкин