Energy efficient mining on a quantum-enabled blockchain using light

We outline a quantum-enabled blockchain architecture based on a consortium of quantum servers. The network is hybridised, utilising digital systems for sharing and processing classical information combined with a fibre--optic infrastructure and quantum devices for transmitting and processing quantum information. We deliver an energy efficient interactive mining protocol enacted between clients and servers which uses quantum information encoded in light and removes the need for trust in network infrastructure. Instead, clients on the network need only trust the transparent network code, and that their devices adhere to the rules of quantum physics. To demonstrate the energy efficiency of the mining protocol, we elaborate upon the results of two previous experiments (one performed over 1km of optical fibre) as applied to this work. Finally, we address some key vulnerabilities, explore open questions, and observe forward--compatibility with the quantum internet and quantum computing technologies.Comment: 25 pages, 5 figure

Physical key-protected one-time pad

We describe an encrypted communication principle that forms a secure link between two parties without electronically saving either of their keys. Instead, random cryptographic bits are kept safe within the unique mesoscopic randomness of two volumetric scattering materials. We demonstrate how a shared set of patterned optical probes can generate 10 gigabits of statistically verified randomness between a pair of unique 2 mm^3 scattering objects. This shared randomness is used to facilitate information-theoretically secure communication following a modified one-time pad protocol. Benefits of volumetric physical storage over electronic memory include the inability to probe, duplicate or selectively reset any bits without fundamentally altering the entire key space. Our ability to securely couple the randomness contained within two unique physical objects can extend to strengthen hardware required by a variety of cryptographic protocols, which is currently a critically weak link in the security pipeline of our increasingly mobile communication culture

Functional mobile-based two-factor authentication by photonic physical unclonable functions

Given the rapid expansion of the Internet of Things and because of the concerns around counterfeited goods, secure and resilient cryptographic systems are in high demand. Due to the development of digital ecosystems, mobile applications for transactions require fast and reliable methods to generate secure cryptographic keys, such as Physical Unclonable Functions (PUFs). We demonstrate a compact and reliable photonic PUF device able to be applied in mobile-based authentication. A miniaturized, energy-efficient, and low-cost token was forged of flexible luminescent organic–inorganic hybrid materials doped with lanthanides, displaying unique challenge–response pairs (CRPs) for two-factor authentication. Under laser irradiation in the red spectral region, a speckle pattern is attained and accessed through conventional charge-coupled cameras, and under ultraviolet light-emitting diodes, it displays a luminescent pattern accessed through hyperspectral imaging and converted to a random intensity-based pattern, ensuring the two-factor authentication. This methodology features the use of a discrete cosine transform to enable a low-cost and semi-compact encryption system suited for speckle and luminescence-based CRPs. The PUF evaluation and the authentication protocol required the analysis of multiple CRPs from different tokens, establishing an optimal cryptographic key size (128 bits) and an optimal decision threshold level that minimizes the error probability.publishe

Redshift: Manipulating Signal Propagation Delay via Continuous-Wave Lasers

We propose a new laser injection attack Redshift that manipulates signal propagation delay, allowing for precise control of oscillator frequencies and other behaviors in delay-sensitive circuits. The target circuits have a significant sensitivity to light, and a low-power continuous-wave laser, similar to a laser pointer, is sufficient for the attack. This is in contrast to previous fault injection attacks that use highpowered laser pulses to flip digital bits. This significantly reduces the cost of the attack and extends the range of possible attackers. Moreover, the attack potentially evades sensor-based countermeasures configured for conventional pulse lasers. To demonstrate Redshift, we target ring-oscillator and arbiter PUFs that are used in cryptographic applications. By precisely controlling signal propagation delays within these circuits, an attacker can control the output of a PUF to perform a state-recovery attack and reveal a secret key. We finally discuss the physical causality of the attack and potential countermeasures

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Photonic Physical Unclonable Functions: From the Concept to Fully Functional Device Operating in the Field

The scope of this paper is to demonstrate a fully working and compact photonic Physical Unclonable Function (PUF) device capable of operating in real life scenarios as an authentication mechanism and random number generator. For this purpose, an extensive experimental investigation of a Polymer Optical Fiber (POF) and a diffuser as PUF tokens is performed and the most significant properties are evaluated using the proper mathematical tools. Two different software algorithms, the Random Binary Method (RBM) and Singular Value Decomposition (SVD), were tested for optimized key extraction and error correction codes have been incorporated for enhancing key reproducibility. By taking into consideration the limitations and overall performance derived by the experimental evaluation of the system, the designing details towards the implementation of a miniaturized, energy efficient and low-cost device are extensively discussed. The performance of the final device is thoroughly evaluated, demonstrating a long-term stability of 1 week, an operating temperature range of 50C, an exponentially large pool of unique Challenge-Response Pairs (CRPs), recovery after power failure and capability of generating NIST compliant true random numbers