Side-Information Coding with Turbo Codes and its Application to Quantum Key Distribution

Turbo coding is a powerful class of forward error correcting codes, which can achieve performances close to the Shannon limit. The turbo principle can be applied to the problem of side-information source coding, and we investigate here its application to the reconciliation problem occurring in a continuous-variable quantum key distribution protocol.Comment: 3 pages, submitted to ISITA 200

Information reconciliation methods in secret key distribution

We consider in this thesis the problem of information reconciliation in the context of secret key distillation between two legitimate parties. In some scenarios of interest this problem can be advantageously solved with low density parity check (LDPC) codes optimized for the binary symmetric channel. In particular, we demonstrate that our method leads to a significant efficiency improvement, with respect to earlier interactive reconciliation methods. We propose a protocol based on LDPC codes that can be adapted to changes in the communication channel extending the original source. The efficiency of our protocol is only limited by the quality of the code and, while transmitting more information than needed to reconcile Alice’s and Bob’s sequences, it does not reveal any more information on the original source than an ad-hoc code would have revealed.---ABSTRACT---En esta tesis estudiamos el problema de la reconciliación de información en el contexto de la destilación de secreto entre dos partes. En algunos escenarios de interés, códigos de baja densidad de ecuaciones de paridad (LDPC) adaptados al canal binario simétrico ofrecen una buena solución al problema estudiado. Demostramos que nuestro método mejora significativamente la eficiencia de la reconciliación. Proponemos un protocolo basado en códigos LDPC que puede ser adaptado a cambios en el canal de comunicaciones mediante una extensión de la fuente original. La eficiencia de nuestro protocolo está limitada exclusivamente por el código utilizado y no revela información adicional sobre la fuente original que la que un código con la tasa de información adaptada habría revelado

Towards Practical and Secure Channel Impulse Response-based Physical Layer Key Generation

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internet-fähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird

Experimental advances in broadband continuous variable quantum key distribution

Quantum key distribution is the first major area of quantum information science to find practical use outside of its field. Quantum key distribution involves transmitting cryptographic keys using quantum states. Any attempt to eavesdrop on the transmission will, necessarily by the laws of quantum mechanics, disturb or destroy the states. By identifying and only using keys that have not been disturbed, a perfectly secure cryptographic system can be realised. ¶ Discrete variable quantum key distribution was proposed in 1984. Since then attempts to exploit this technology have been beset with the difficulties of working with the discrete variables in question—single photon states. In the late 90’s the idea of continuous variable quantum key distribution was developed, in which the key-carrying quantum information states are properties of a bright, continuous wave laser beam. Bright laser beams are relatively simple to manipulate and can carry large amounts of information even when subject to high loss. ‘Broadband’ continuous variable quantum key distribution refers to the large information rates obtainable by using broad laser modulation sidebands. ¶ In 2005 the ANU Quantum Optics group published an experimental demonstration of broadband continuous variable quantum key distribution. This thesis documents the project work undertaken to rebuild an improved version of this experiment, and also the work undertaken to prepare for more advanced experiments. The main goal of the improved experiment was to increase the key distribution rate, while the advanced experiments were directed towards practical implementation of the system in optical fibre. ¶ The experiment rebuild was achieved with most improvements for higher bandwidth successfully implemented. Some improvements were unplanned, being necessitated by problems with the initial improvements. Although preliminary experimental data was acquired, time constraints precluded a successful cryptographic key distribution. Pilot design and major purchasing for future experiments was also completed