Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci

109 67

Proje Grubu: EEEAG Sayfa Sayısı: 49 Proje No: 121E323 Proje Bitiş Tarihi: 01.07.2022 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 12-10-2022

Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci

Öz:
Rastgelelik sans oyunları, istatistik hesaplamaları, bilgisayar simülasyonları, bilgi güvenligi ve sifreleme gibi içerisinde rastgele olayların yasandıgı her türlü uygulamada kullanılmaktadır. Rastgele sayıları üretmek için kullanılan araçlara rastgele sayı üreteçleri (RSÜ) adı verilir. RSÜ, aralarında herhangi bir örüntü veya iliski olmayacak sekilde tahmin edilemeyecek sayı dizileri üretilmesini saglayan yazılımsal veya donanımsal bilesenlerdir. RSÜ ile ilgili farklı tekniklerle çesitli çalısmalar yapılmıstır. Bu çalısmalarda rastgele sayı üretiminin zorlukları ve maliyetin yüksek olması gelistirilen üreteçlerin verimliligini olumsuz etkilemektedir. Gerçek rastgele sayı üretiminde çok farklı yöntemler kullanılmıs hatta tahmin edilebilirligi zorlastırmak için radyoaktif rastgele sayı üreteçleri (kuantum rastgele sayı üreteci) dahi gelistirilmistir. Kuantum Rastgele Sayı Üreteçleri (KRSÜ); klasik fizik yerine Kuantum fizigi yasalarının temel alındıgı bir üreteç çesididir. Fotonik tabanlı KRSÜ'de fotonların belirsizliginden faydalanılarak çesitli yazılımsal ve donanımsal islemlerden sonra rastgele sayılar üretilir. Üretilen bu sayılar, tahmin edilemeyecek seviyede güçlü rastgele sayılardır. Ancak bu yöntemin hem insan saglıgı hem de maliyet açısından olumsuzlukları mevcuttur. Proje önerisinde, özellikle radyoaktif rastgele sayı üreteçlerine alternatif olacak ve maliyeti düsürmek adına daha önce çalısılmamıs olan kimyasal reaksiyonlar kullanılarak gerçek rastgele sayı üreteci gelistirilmesi planlanmıstır. Bilindigi üzere doga olayları genel olarak lineer olmayan diferansiyel denklemlerle modellenir. Bu gerçekten hareketle proje sonunda, kuantum dalga denklemi olarak adlandırdıgımız diferansiyel denklem ile donanımsal kaynaklar ve kimyasal reaksiyonlar birlikte kullanılarak rastgele sayı üreteci gelistirilmistir. Bu üreteç gelistirilirken bitki tohumu çimlendirilerek sensörler ve diger donanım elemanlarının (Kütle ölçer, nem ve sıcaklık ölçer gibi) ortak kullanımıyla veri üretilmistir. Üretilen degerler tohum degeri olarak alınıp rastgele sayı üretmede kullandıgımız algoritmayla gerçek rastgele sayılar üretilmistir. Üretimde kullandıgımız kuantum dalga denklemi ve bu denkleme özel olusturulan kaskad fonksiyonu kriptolojik açıdan daha basarılı tasarımlar elde edilebilecegini göstermistir. Bu ise proje önerisinin diger önemli çıktılarındandır. Tüm bu çıktılar kapsamında bir yüksek lisans tezi ve bir uluslararası konferans bildirisi yayınlanmıstır. Yüksek etki faktörlü bir arastırma makalesi yayınlanmak üzere gönderilmistir. Proje sonuçları TÜBITAK 1001 projesine ön çalısma çıktısı olarak katkı sunmustur.
Anahtar Kelime: Gerçek rastgele sayı üreteci kuantum dalga denklemi kimyasal reaksiyonlar kriptografi

Konular: Mühendislik, Elektrik ve Elektronik

-

Öz:
Randomness is used in all kinds of applications in which random events occur, such as games of chance, statistical calculations, computer simulations, information security, and encryption. The tools used to generate random numbers are called random number generators (RSU). RSU is software or hardware components that enable the generation of unpredictable number sequences without any pattern or relationship between them. Various studies have been carried out with different techniques related to RSU. In these studies, the difficulties of random number generation and the high cost negatively affect the efficiency of the developed generators. Many different methods have been used in real random number generation, and even radioactive random number generators (quantum random number generators) have been developed to make predictability difficult. Quantum Random Number Generators (KRSÜ); It is a type of generator based on the laws of quantum physics instead of classical physics. In photonics-based KRSÜ, random numbers are generated after various software and hardware processes by utilizing the uncertainty of photons. These generated numbers are unpredictably strong random numbers. However, this method has disadvantages in terms of both human health and cost. The project proposal plans to develop a real random number generator, which will be an alternative to radioactive random number generators, using chemical reactions that have not been studied before, to reduce the cost. As it is known, natural phenomena are generally modeled with nonlinear differential equations. Based on this fact, at the end of the project, a random number generator was developed by using the differential equation, which we call the quantum wave equation, together with hardware resources and chemical reactions. While developing this generator, data was produced by germinating the plant seed and using sensors and other hardware elements (such as mass meter, humidity, and temperature meter). The generated values were taken as seed values and real random numbers were produced with the algorithm we used to generate random numbers. The quantum wave equation we use in production and the cascade function created specifically for this equation has shown that more successful designs can be obtained in terms of cryptology. This is one of the other important outputs of the project proposal. A master's thesis and an international conference paper were published within the scope of all these outputs. A high-impact research article has been submitted for publication. Project results contributed to TÜBITAK 1001 project as preliminary study output.
Anahtar Kelime:

Konular: Mühendislik, Elektrik ve Elektronik
Erişim Türü: Erişime Açık
  • [1] Yousefnezhad, N., Malhi, A., Främling, K. (2020). “Security in product lifecycle of IoT devices: A survey”, Journal of Network and Computer Applications, 171, 1-40.
  • [2] Yao, X., Farha, F., Li, R., Psychoula, I., Chen, L., Ning, H.( 2021). “Security and privacy issues of physical objects in the IoT: challenges and opportunities”, Digital Communications and Networks, 7(3), 373-384.
  • [3] Liu, H., Li, J., Gu, D. (2020). “Understanding the security of app-in-the-middle IoT”, Computers & Security, 97, 1-15.
  • [4] Yugha, R., Chithra, S. (2020). “A survey on technologies and security protocols: Reference for future generation IoT”, Journal of Network and Computer Applications, 169, 1-13.
  • [5] Zeadally, S., Das, A. K., Sklavos, N. (2021). “Cryptographic technologies and protocol standards for Internet of Things”, Internet of Things, 14, 1-11.
  • [6] Sengupta, J., Ruj, S., Bit, S. D. (2020). “A Comprehensive Survey on Attacks, Security Issues and Blockchain Solutions for IoT and IIoT”, Journal of Network and Computer Applications, 149, 1-20.
  • [7] Özkaynak, F. (2018). “Brief review on application of nonlinear dynamics in image encryption”, Nonlinear Dynamics, 92(2), 305-313.
  • [8] Li, C., Zhang, Y., Young, E. (2019). “When an attacker meets a cipher-image in 2018: A year in review”, Journal of Information Security and Applications, 48, 1-9.
  • [9] Zhang, L. Y., Liu, Y., Pareschi, F., Zhang, Y., Wong, K., Rovatti, R., Setti,G. (2018). “On the Security of a Class of Diffusion Mechanisms for Image Encryption”, IEEE Transactions on Cybernetics, 48(4), 1163-1175.
  • [10] Aydın, Y., Özkaynak, F. (2019). “A Provable Secure Image Encryption Schema Based on Fractional Order Chaotic Systems”, 2019 23rd International Conference Electronics, pp 1-5. doi: 10.1109/ELECTRONICS.2019.8765581.
  • [11] Sun, S. (2018). “A Novel Hyperchaotic Image Encryption Scheme Based on DNA Encoding, Pixel-Level Scrambling and Bit-Level Scrambling”, IEEE Photonics Journal, 10(2), 1- 14.
  • [12] Muhammad, Z. M. Z., Özkaynak, F. (2019). “Security Problems of Chaotic Image Encryption Algorithms Based on Cryptanalysis Driven Design Technique”, IEEE Access, 7, 99945-99953.
  • [13] Garipcan, A. M., Erdem, E. (2020). “A TRNG using chaotic entropy pool as a postprocessing technique: analysis, design and FPGA implementation”, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 103, 391-410.
  • [14] Özkaynak, F. (2020). “A Novel Random Number Generator Based on Fractional Order Chaotic Chua System”, Elektronika Ir Elektrotechnika, 26(1), 52-57.
  • [15] Garipcan, A. M., Erdem, E. (2019). “Implementation and Performance Analysis of True Random Number Generator on FPGA Environment by Using Non-periodic Chaotic Signals Obtained from Chaotic Maps”, Arabian Journal for Science and Engineering, 44, 9427-9441.
  • [16] Özkaynak, F. (2014). “Cryptographically Secure Random Number Generator With Chaotic Additional Input”, Nonlinear Dynamics, 78(3), 2015-2020.
  • [17] Tanyildizi, E., Özkaynak, F. (2019). “A New Chaotic S-Box Generation Method Using Parameter Optimization of One Dimensional Chaotic Maps”, IEEE Access, 7, 117829 – 117838.
  • [18] Sprott, J. C. (2010). Elegant Chaos Algebraically Simple Chaotic Flows. World Scientific.
  • [19] Strogatz, S. H. 2018. Nonlinear Dynamics And Chaos: With Applications To Physics, Biology, Chemistry, And Engineering (Second Edition). CRC Press.
  • [20] Açıkkapı, M. S., Özkaynak, F., Özer, A. B. (2019). “Side-channel Analysis of Chaosbased Substitution Box Structures”, IEEE Access, 7, 79030-79043.
  • [21] Kocarev, L., Lian, S. (2011). Chaos Based Cryptography Theory Algorithms and Applications. Berlin, Germany: Springer-Verlag.
  • [22] Anees, A., Hussain, I. (2019). “A Novel Method to Identify Initial Values of Chaotic Maps in Cybersecurity”, Symmetry, 11(2), 1-21.
  • [23] Özkaynak, F. (2015). “A novel method to improve the performance of chaos based evolutionary algorithms”, Optik, 126(24), 5434-5438.
  • [24] Chaitin, GJ. (2001). Exploring Randomness, London, Springer.
  • [25] Gençoğlu, MT. (2021). Quantum cryptography, quantum communicatıon and quantum computing problems and solutions, Turkish Journal of Science and Technology, C. 16 (1), 97- 101.
  • [26] Viniotis, Y. (1998). Probability and Random Processes For Electrical Engineers, Boston, WCB/McGraw-Hill.
  • [27] Genç, Y. (2019). İnsan Hareketleri Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
  • [28] Daemen, J.; Rijmen V. (2013). The Design Of Rijndael: AES-The Advanced Encryption Standard, New York, Springer Science & Business Media.
  • [29] Robinson SO.; Dessart, DJ. (1998). Teaching and Learning of Algorithms in School Mathematics, USA, National Council of Teachers of Mathematics.
  • [30] Schoukens, J.; Pintelon, R; van der Ouderaa, E.; Renneboog, J. (1988). Survey of excitation signals for FFT based signal analyzers, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, C. 37(3), 342-352.
  • [31] Schindler, W.; Killmann, W. (2002). Evaluation criteria for true (physical) random number generators used in cryptographic applications, Cryptographic Hardware and Embedded Systems.
  • [32] Avaroğlu, E. (2017). LFSR soru girdisi ile puf tasarımının gerçeklenmesi, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, C. 29(2), 15–21.
  • [33] Tuncer, SA.; Genç, Y. (2019). İnsan hareketleri tabanlı gerçek rastgele sayı üretimi, C.8(1), 261–269.
  • [34] Yalçın M., Suykens J.; Vandewalle J. (2004). True Random Bit Generation from a Double Scroll Attractor, IEEE Trans. Circuits Syst. C. 51(7), 1395-1404.
  • [35] Koç, ÇK. (2009). Cryptographic Engineering, Springer-Verlag.
  • [36] Yusuf, AY. (2021). Generation and Realization of True Random Numbers Based on Physical Unclonable Functions, Master's Thesis, Fırat University, Graduate School of Natural and Applied Sciences.
  • [37] Toyran, M. (2007). Efficient use of random numbers, In Signal Processing and Communications Applications, IEEE 15th.
  • [38] Von Neumann, J. (1951). Various Techniques Used in Connection With Random Digits, National Bureau of Standards Applied Mathematics Series, C. 12, 36-38.
  • [39] Dastgheib, MA.; Farhang, M. (2017). A digital pseudo-random number generator based on sawtooth chaotic map with a guaranteed enhanced period, Nonlinear Dynamics, C.89(4), 2957–2966.
  • [40] Demirhan, H.; Bitirim, N. (2016). Statistical testing of cryptographic randomness, Journal of Statisticians: Statistics and Actuarial Sciences, C.1, 1-11.
  • [41] Wold, K. (2011). Security Properties of a Class of True Random Number Generators in Programmable Logic, Doctoral Degree, Gjøvik University College, Doctor of Philosophy in Information Security.
  • [42] Sanguinetti, B.; Martin, A.; Zbinden, H.; Gisin, N. (2014). Quantum random number generation on a mobile phone, Physical Review, C.4(3), 031056.
  • [43] Avaroğlu, E. (2014). Donanım Tabanlı Rastgele Sayı Üretecinin Gerçekleştirilmesi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
  • [44] Kapur, JN.; Kesavan, HK. (1992). Entropy Optimization Principles and Their Applications, Netherlands, Springer.
  • [45] Dichtl, M. (2007). Bad and good ways of post-processing biased physical random numbers, International Workshop on Fast Software Encryption.
  • [46] Yıldırım, S. (2012). A True Random Number Generator In FPGA For Cryptographıc Applications, Master's degree, Middle East Technical University, Graduate School of Natural and Applied Sciences.
  • [47] Özkaynak, F. (2013). Security problems for a pseudorandom sequence generator based on the Chen chaotic system, Computer Physics Communications, C.184(9), 2178-2181.
  • [48] Özkaynak, F. (2014). Cryptographically secure random number generator with chaotic additional input, Nonlinear Dynamics, C. 78, 2015-2020.
  • [49] Özkaynak, F. (2015). Kriptolojik Rasgele Sayı Üreteçleri, Türkiye Bilişim Vakfi Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Dergisi, C. 8(2), 37-45.
  • [50] Voris, J.; Saxena, N.; Halevi, T. (2011). Accelerometers and randomness: perfect together, Proceedings of the fourth ACM conference on Wireless network security, Hamburg, Germany.
  • [51] Mitra, M. (2012). A Low-Cost Lightweight Random Number Generator Implementation, International Journal of Engineering Research & Technology, C. 1(10), 1-9.
  • [52] Hennebert, C.; Hossayni, H.; Lauradoux, C. (2013). Entropy harvesting from physical sensors, Proceedings of the sixth ACM conference on Security and privacy in wireless and mobile networks, Budapest, Hungary.
  • [53] Bedekar, N.; Shee, C. (2015). A Novel Approach to True Random Number Generation in Wearable Computing Environments Using MEMS Sensors. Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics, C. 8957, 530-546.
  • [54] Contassot-Vivier, S.; Couchot, JF.; Guyeux, C.; Heam, PC. (2017). Random Walk in a NCube Without Hamiltonian Cycle to Chaotic Pseudorandom Number Generation: Theoretical and Practical Considerations, International Journal of Bifurcation and Chaos, C. 27(1), 1750014.
  • [55] Akgül, A.; Arslan, C., Arıcıoğlu, B. (2019). Design of an Interface for Random Number Generators based on Integer and Fractional Order Chaotic Systems, Chaos Theory and Applications, C. 1(1), 1-18.
  • [56] Rezk, A.; Madian, A.; Radwan, A.; Soliman, AM. (2019). Multiplierless Chaotic Pseudo Random Number Generators, AEU - International Journal of Electronics and Communications, C. 113, 152947.
  • [57] Avaroğlu, E.; Tuncer T. (2020). A novel S-box-based postprocessing method for true random number generation, Turk J Elec Eng & Comp Sci., C. 28, 288-301.
  • [58] Khan, FU; Bhatia, S. (2012). A Novel Approach to Genetıc Algorıthm Based Cryptography, International Journal of Research in Computer Science, C. 2(3), 7-10.
  • [59] Hurley-Smith, D. Hernandez-Castro, J. (2020). Quantum Leap and Crash: Searching and Finding Bias in Quantum Random Number Generators, ACM Transactions on Privacy and Security, C. 23(3), 1-25.
  • [60] Lin, X.; Wang, S.; Yin, ZQ.; et al. (2020). Security analysis and improvement of source independent quantum random number generators with imperfect devices, Npj Quantum Information, C. 6(1), 100.
  • [61] Kavulich, J.; Van Deren, B.; Schlosshauer, M. (2021). Searching for evidence of algorithmic randomness and incomputability in the output of quantum random number generators, Physics Letters, C. A(388), 127032.
  • [63] Gençoğlu, MT.; Agarwal, P. (2021). Use of Quantum Differential Equations in Sonic Processes, Applied Mathematics and Nonlinear Science, C. 6(1), 21-8.
  • [64] Gençoğlu, MT. (2013). Complex solutions for Burgers-Like equation, F.U. Türkish Journal Of Science and Technology, C. 8(2), 121-123.
  • [65] Bujang MA.; Sapri, F. (2018). An Application of the Runs Test to Test for Randomness of Observations Obtained from a Clinical Survey in an Ordered Population, Malaysian Journal of Medical Sciences, C. 25, 146-151.
APA GENÇOĞLU M (2022). Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. , 0 - 49.
Chicago GENÇOĞLU MUHARREM TUNCAY Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. (2022): 0 - 49.
MLA GENÇOĞLU MUHARREM TUNCAY Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. , 2022, ss.0 - 49.
AMA GENÇOĞLU M Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. . 2022; 0 - 49.
Vancouver GENÇOĞLU M Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. . 2022; 0 - 49.
IEEE GENÇOĞLU M "Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci." , ss.0 - 49, 2022.
ISNAD GENÇOĞLU, MUHARREM TUNCAY. "Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci". (2022), 0-49.
APA GENÇOĞLU M (2022). Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. , 0 - 49.
Chicago GENÇOĞLU MUHARREM TUNCAY Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. (2022): 0 - 49.
MLA GENÇOĞLU MUHARREM TUNCAY Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. , 2022, ss.0 - 49.
AMA GENÇOĞLU M Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. . 2022; 0 - 49.
Vancouver GENÇOĞLU M Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci. . 2022; 0 - 49.
IEEE GENÇOĞLU M "Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci." , ss.0 - 49, 2022.
ISNAD GENÇOĞLU, MUHARREM TUNCAY. "Kimyasal Reaksiyonların Etkileriyle Kuantum Dalga Denklemi Tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci". (2022), 0-49.