Evaluation of PUF and QKD integration techniques as root of trust in communication systems

Abstract

Quantum Cryptography could be the next key technology in terms of secure communication, but, as with every new technology, it presents problems that need to be solved in order to become a reality in daily life. This work discusses the integration of Physical Unclonable Functions (PUFs) as a solution for the authentication of the endpoints in quantum communication protocols. The use of PUF constructions would allow the authentication of devices without the need of relying on third parties, and support switched trustworthy quantum communication channels; two unseen features in Quantum Key Distribution (QKD) until now. We analyze in detail PUF integration within the BB84 protocol, as it is the foundation for all QKD protocols, and two proposals for an authentication scheme are made, depending on the connection characteristics of the communication endpoints and the distance between them. These proposals are then generalized for other types of QKD protocol. Moreover, different types of PUF are analyzed to conclude which ones are the most suitable for our purpose.

La Criptografía Cuántica podría ser la próxima tecnología clave en relación a la seguridad de las comunicaciones pero, como toda nueva tecnología, presenta problemas que deben ser resueltos antes de llegar a ser una realidad en el día a día. Este trabajo discute la integración de Funciones Físicas No-Clonables (PUFs, por sus siglas en inglés) como solución a la autenticación de los extremos en un protocolo de comunicación cuántica. El uso de PUFs permitiría la autenticación de dispositivos sin necesidad de depender de terceros, además de abrir la posibilidad a la conmutación de canales de comunicación cuántica; dos características nunca vistas en la Distribución Cuántica de Claves (QKD, por sus siglas en inglés) hasta ahora. Se analiza en detalle la integración de PUFs en el protocolo BB84, ya que es la base de todos los protocolos de QKD, y se proponen dos esquemas de autenticación distintos, atendiendo a las características de los extremos de la comunicación y la distancia entre ellos. Después, estas propuestas se generalizan para el resto de protocolos de QKD. Además, se estudian distintos tipos de PUF con el objeto de encontrar la más adecuada para nuestro propósito.