With the rapid development of quantum computing, classical cryptography systems are facing increasing security threats, making it urgent to build architectures resilient to quantum attacks. Although Quantum Key Distribution (QKD) technology provides information-theoretic security, its limited bandwidth requires it to be combined with classical cryptography-particularly block ciphers such as AES and SM4-in practical deployments.However, when a single key is used to process multiple multi-block files, the resulting reduction in security strength has not yet been systematically quantified.In this work, we focus on the use of both QKD keys and block ciphers, and construct a precise calculation model for the key rotation interval. We further propose a quantitative method to evaluate the security benefit of using QKD keys for block cipher. Building on concrete security models and the security properties of various block cipher modes (CTR, CBC, and ECBC-MAC), we derive the maximum number of files that can be safely encrypted under a single key, denoted Q*, and quantify the benefits of key rotation interval in enhancing security levels. Using SM4 as a case study, our results show that, under an 80-bit security target, uniformly performing k key rotations can increase the security strength by log2(k) to 2log2(k) bits. This study provides theoretical support and a basis for parameter optimization for the integrated application of QKD keys with classical cryptographic algorithms and the engineering deployment of cryptographic systems.


翻译:随着量子计算的快速发展,经典密码体系面临日益严峻的安全威胁,构建抗量子攻击的架构迫在眉睫。尽管量子密钥分发技术提供了信息论安全性,但其有限带宽在实际部署中需与经典密码技术——特别是AES、SM4等分组密码——结合使用。然而,当单个密钥用于处理多个多块文件时,由此导致的安全强度降低尚未得到系统量化。本研究聚焦QKD密钥与分组密码的联合使用场景,构建了密钥轮换间隔的精确计算模型,并进一步提出量化评估QKD密钥用于分组密码的安全效益的方法。基于具体安全模型及不同分组密码模式的安全特性,我们推导出单个密钥下可安全加密的最大文件数量,并量化密钥轮换间隔对提升安全等级的效益。以SM4为例的研究表明,在80比特安全目标下,均匀执行k次密钥轮换可使安全强度提升log2(k)至2log2(k)比特。本研究为QKD密钥与经典密码算法的融合应用及密码系统工程化部署提供了理论支撑与参数优化依据。

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