OTQuSbox框架：一种基于量子的会话式S盒构建方法，支持安全的种子同步

《IEEE Access》：OTQuSbox Framework: A Quantum-Assisted Session-Based S-Box Construction with Secure Seed Synchronization

　　

摘要：

传统上用于对称密钥密码学的替换盒（S-box）通常是静态的，或者通过确定性伪随机过程生成的，这使它们容易受到长期结构分析、预计算和基于学习的密码分析攻击。为了解决这些限制，本文提出了OTQuSbox，这是一个基于量子的会话框架，用于构建具有安全种子同步的动态一次性8×8 S-box。该模型结合了量子衍生的熵和GF(2^8)中的确定性代数变换，包括乘法逆运算、原元素指数运算和仿射加固，以实现不可预测性和数学可验证性。一个带有白化处理的噪声8量子比特电路用于生成高熵种子，而基于临时椭圆曲线Diffie–Hellman（ECDH）的协议使通信双方能够在不传输S-box本身的情况下安全地重建相同的会话特定S-box。实验分析表明，生成的S-box满足基本的密码学标准，实现了最大非线性为10^8、平均SAC为0.4998、BIC非线性为10^3.71、差分均匀性为10以及线性概率为0.0625。NIST SP 800-22随机性评估在1000次试验中进一步证实了所提出的量子种子生成器的统计质量。与传统的静态设计（如AES S-box）不同，OTQuSbox在保持确定性验证和实际效率的同时引入了实例级别的结构多样性，使其成为自适应和安全关键密码应用的有希望的候选者。