I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.  1 4 ,   No .   6 ,   Dec em b er   2 0 2 5 ,   p p .   5 2 5 1 ~ 5 2 6 7   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 14 .i 6 . p p 5 2 5 1 - 5 2 6 7           5251     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Securing   po st - qu a ntum crypto g ra phy side - cha nnel  resilience  in  CRYSTAL S - K y ber  key  en ca psula t io n mecha nism       Sh re y a s   K a s t ure 1 ,   Su dh a n s h u M a ury a 2, 3 ,   Ala k s hend ra   P ra t a p Sin g h 1 ,   Am it   Sh uk la 2 ,   Arna v   K o t iy a l 4 K a s his M irza 5   1 S y m b i o si s   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y ,   S y mb i o si s   I n t e r n a t i o n a l   ( D e e me d   U n i v e r si t y ) ,   P u n e ,   I n d i a   2 C e n t re   o f   A r t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e   a n d   R o b o t i c s,   I n d i a n   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y ,   M a n d i ,   I n d i a   3 D e p a r t m e n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,   M a n a v   R a c h n a   I n t e r n a t i o n a l   I n s t i t u t e   o f   R e s e a r c h   a n d   S t u d i e s   ( D e e m e d   t o   b e   U n i v e r s i t y ) ,   F a r i d a b a d ,   I n d i a   4 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,   G r a p h i c   Er a   D e e me d   t o   b e   U n i v e r s i t y ,   D e h r a d u n ,   I n d i a   5 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,   G r a p h i c   Er a   H i l l   U n i v e r si t y ,   B h i m t a l ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 4 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Oct  1 8 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   J an   2 8 ,   2 0 2 5       Th is  stu d y   e v a lu a tes   sid e - c h a n n e v u ln e ra b il it ies   in   h a rd wa re   imp lem e n tatio n s   o th e   c r y p to g ra p h ic  s u it e   f o Al g e b ra i c   latti c e ( CRYST ALS ) - Ky b e r   k e y   e n c a p su latio n   m e c h a n ism   (KE M )   u si n g   c o rre latio n   a n d   d iffere n ti a p o we a n a ly sis   (DPA)   tec h n i q u e s.  Un p ro tec te d   field - p r o g ra m m a b le  g a te  a rra y   ( F P G A )   imp lem e n tatio n a c ro ss   a ll   Ky b e r   p a ra m e ter  se ts  we re   su c c e ss f u ll y   c o m p r o m ise d ,   re v e a li n g   sig n ifi c a n t   in fo rm a ti o n   lea k a g e .   At tac k   c o m p lex it y   sc a led   l in e a rly   wit h   k e y   siz e .   Ad d it i v e   Bo o lea n   m a sk in g   p ro v id e d   v a r y in g   p r o tec ti o n   lev e ls,  with   4 - b it   m a sk in g   o ffe rin g   a   1 0 0 ×   se c u ri ty   i n c re a se   a n o tab le  p e rfo rm a n c e   c o st .   P e rfo rm a n c e   c h a ra c teriz a ti o n   sh o we d   in c re a se d   slice   u ti li z a ti o n   a n d   re d u c e d   m a x i m u m   fre q u e n c y   f o h i g h e r - o r d e m a sk in g .   n o v e h y b r i d   c o u n term e a su re   c o m b i n i n g   h i g h e r - o rd e r   m a sk in g   wit h   c o n tr o ll e d   ti m e   ra n d o m iza ti o n   e n h a n c e d   p ro tec ti o n   a g a in st  m a c h in e   lea rn in g - b a s e d   a tt a c k s.   Co m p re h e n si v e   p o we trac e   a n a ly sis  u si n g   1 2 - b it   p re c isio n   a 5 0 0   M S /s   sa m p li n g   ra tes   wa c o n d u c ted .   S tatisti c a e v a lu a ti o n   u ti li z e d   P e a rso n ' s   c o rre latio n   a n d   Welc h ' t - tes ts  with   a   0 . 8   th re sh o l d   fo k e y   re c o v e ry .   Re a l - wo rld   v a li d a ti o n   i n   I o T,   fin a n c ial,   a n d   sa telli te  sc e n a rio h i g h li g h te d   p ra c ti c a p o st - q u a n tu m   c r y p t o g r a p h y   (P QC)  d e p l o y m e n t   c h a ll e n g e s.  T h e   stu d y   p r o v i d e c o n c re te  d e sig n   g u i d a n c e   fo e fficie n tl y   se c u rin g   h a rd wa re   Ky b e imp lem e n tati o n s a g a i n st si d e - c h a n n e a tt a c k s .   K ey w o r d s :   C o u n ter m ea s u r es   C R Y STAL S Ky b er   KE M   L attice - b ased   cr y p to g r ap h y   Po s t - q u an tu m   cr y p to g r ap h y   Q u a n t u m   k e y   m a n a g e m e n t   s y s t e m   Sid e - ch an n el  attac k s   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Su d h an s h u   Ma u r y a   C en tr o f   Ar tific ial  I n tellig en c an d   R o b o tics ,   I n d ian   I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y   Ma n d i,  I n d ia   E m ail: d r . s m 0 3 0 2 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Pu b lic  k ey   cr y p to g r ap h y   f ac e s   an   ex is ten tial  th r ea f r o m   th em er g en ce   o f   q u an t u m   co m p u tin g   th at   u n d er p in s   s ec u r co m m u n ica tio n s   an d   in f r astru ctu r o n   th in ter n et  an d   b ey o n d .   Qu an tu m   alg o r ith m s ,     lik Sh o r ' s ,   ca n   ef f ec tiv ely   d ef ea wid ely   u s ed   tech n iq u es  as  ellip tic  cu r v cr y p to g r ap h y   an d   r an d o m - ac ce s s   p u b lic  k ey   c r y p to g r ap h y   ( R SA) ,   wh ich   d ep e n d s   o n   th e n o r m o u s   ch allen g o f   co m p u tin g   d is cr ete  lo g ar ith m s   o r   f ac to r in g   lar g p r im es.  lar g en o u g h   q u an tu m   co m p u ter   co u l d   cr ac k   th e   en cr y p ti o n   s ec u r in g   o n lin e   tr an s ac tio n s ,   s tate  s ec r ets,  in t ellec tu al  p r o p er ty ,   an d   c r itical  s y s tem s   in   m in u tes.  W ith   s tead y   ad v a n ce s   in   q u an tu m   tech n o lo g y   th r o u g h   ef f o r ts   b y   lead in g   tech   f ir m s ,   g o v er n m en lab s ,   an d   ac ad em i in s titu tio n s ,   m an y   ex p er ts   p r ed ict  th ac h iev em e n o f   q u an t u m   s u p r em ac y   with in   th n ex d ec ad e .   T h r is k   o f   cu r r e n class ical   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 4 ,   No .   6 ,   Dec em b er   2 0 2 5 :   5 2 5 1 - 5 2 6 7   5252   p u b lic  k ey   cr y p to s y s tem s   b e co m in g   co m p letely   in s ec u r in   th f ac o f   s u ch   p o wer f u l   q u an tu m   attac k   is   th er ef o r i n cr ea s in g   r a p id ly .   T h is   lo o m in g   p r o s p ec h as  b ee n   ter m ed   th " q u an t u m   ap o ca ly p s e f o r   en c r y p te d   co m m u n icatio n s   [ 1 ] .   I n ten s e   ac ad em ic  atten tio n   h as  b ee n   d ir ec ted   in to   cr ea tin g   n ew  q u an t u m - r esil ien cr y p to g r ap h ic   p r o to co ls   an d   alg o r it h m s ,   c o llectiv ely   k n o wn   as  p o s t - q u an tu m   cr y p to g r ap h y   ( PQC ) ,   to   ad d r ess   th is   s ig n if ican f law.   Pro m is in g   p o s t - q u an tu m   tech n iq u es  ar e   b ein g   d ev elo p ed   an d   en h a n ce d   ac r o s s   co r e   ap p r o ac h es,  in clu d i n g   h ash - b a s ed   s ig n atu r es,  s u p er s in g u lar   i s o g en y   c r y p to g r ap h y ,   m u ltiv a r iate  cr y p to g r ap h y ,   lattice - b ased   cr y p t o g r ap h y ,   an d   c o d e - b ased   cr y p to g r ap h y   am o n g   o th e r s .   L ea d i n g   PQC   ca n d id ates  m ath em atica lly   o f f er   s ec u r ity   ev en   ag ain s ass au lt  b y   f u ll - s ca le,   q u an tu m   co m p u ter   th at  is   f au lt - to ler an [ 2 ] T h Natio n al  I n s titu te  o f   Stan d ar d s   an d   T ec h n o lo g y   ( NI ST)   o f   th e   Un ited   States   lau n ch e d   m u lti - y ea r   g lo b al   s tan d ar d izatio n   p r o ce s s   in   2 0 1 7   to   th o r o u g h ly   a n aly s p o s t - q u an tu m   alg o r ith m s ,   d u to   th u r g e n cy   b y   th q u an tu m   th r ea an d   s elec th m o s s ec u r an d   ef f icien d esig n s   ac r o s s   en cr y p tio n ,   s i g n atu r es,  an d   k ey   ex ch an g e .   Ou o f   an   in itial  f ield   o f   o v er   8 0   s u b m is s io n s ,   af ter   th r ee   in ten s iv r o u n d s   o f   ass e s s m en t,  NI S T   an n o u n ce d   f o u r   al g o r ith m s   in   J u ly   2 0 2 2   to   p r o ce ed   to   th s tan d ar d izatio n   p ip elin e - lattice - b ased   cr y p to g r ap h i c   s u ite  f o r   Alg eb r aic   lattices  ( C R YSTA L S ) - Ky b er N - th   d eg r ee   tr u n ca te d   p o ly n o m ial  r i n g   u n it  ( NT R U ) ,   a n d   s ec u r ity   attr ib u te - b ased   s ec u r ( SAB E R )   a s   well  a s   th lattice - b ased   s ig n atu r s ch em C R YSTA L S - Dilith iu m .   Ad d itio n ally ,   f o u r   o th er   ca n d i d ates  in clu d in g   th is o g en y - b ased   s u p e r s in g u lar   is o g en y   k ey   en ca p s u latio n   ( SIK E )   wer s elec ted   f o r   f u r th e r   an aly s is   in   th f o u r t h   r o u n d .   As  PQC   co n tin u es  r ap id   m at u r atio n   to war d   ev en t u al  r ea l - wo r ld   d ep lo y m en ac r o s s   th e   in ter n et' s   tr u s ted   p u b lic  k e y   in f r astru ct u r e,   in   s p ec ialized   n etwo r k s ,   an d   in   cr itical  em b e d d ed   d e v ices,  ef f icien a n d   v er if iab ly   s ec u r e n g in ee r i n g   is   cr u cial  alo n g s id th e   f u n d a m en tal  r esear ch .   W h ile  th e   elab o r ate  m ath em atics   b eh in d   s ch em es  lik Ky b e r   an d   SIK E   m ay   in h er e n tly   p r o v i d q u a n tu m   r esil ie n ce ,   s id e - ch an n el  v u ln er ab ilit ies  in tr o d u ce d   in   im p lem en tatio n s   ca n   s till   en ab le  v ar io u s   p r ac tical  attac k s   if   n o ad d r ess ed .   Ph y s ically   o b s er v ab le  ch ar ac t er is tics   d u r in g   an   o p er atio n   lik tim in g ,   p o wer   c o n s u m p tio n ,   elec tr o m ag n etic   r ad iatio n ,   an d   m o r ca n   leak   s ec r ets  th at  b y p ass   m ath em atica d ef en ce s .   T h u s   ex te n s iv an aly s is   o f     s id e - ch an n el  s u s ce p tib ilit y   as  well  as  ef f ec tiv e ,   ef f icien c o u n ter m ea s u r es   is   an   im p er at iv e,   co m p lem en tar y   f ac et  o f   f u n d am e n tal  PQC   r esear ch   all  th way   th r o u g h   s tan d ar d izatio n   a n d   ad o p tio n .   L attice - b ased   cr y p to g r ap h y   h a s   em er g ed   as  lead in g   ap p r o a ch   f o r   d e v elo p in g   PQC   s ch em es  s ec u r e   ag ain s q u an tu m   co m p u tin g   a ttack s   [ 3 ] .   T h C R YSTA L Ky b er   k e y   en ca p s u latio n   m ec h an is m   ( KE M)   is   a   p r o m in e n lattice - b ased   al g o r ith m   cu r r en tly   u n d e r g o i n g   e v alu atio n   f o r   p o s t - q u an tu m   s tan d ar d izatio n   [ 4 ] W h ile  th u n d er ly in g   co n s tr u ctio n   p r o m is es,  th eo r etica q u an tu m   r esil ien ce ,   r ea l - wo r l d   v u ln er ab ilit ies  s till   n ee d   to   b e   ass ess ed   b ef o r wi d esp r ea d   im p lem en tatio n .   Sid e - ch an n el   attac k s   p o s p ar ticu lar   r is k s   o f   leak in g   s ec r et  k ey   in f o r m atio n   th r o u g h   p h y s ical  em an atio n s   an d   n ee d   co u n ter m ea s u r es.  T h is   r esear ch   em p ir ically   an aly s es  th s id e - ch an n el  atta ck   r esil ien ce   o f   h ar d war Ky b er   im p lem en tatio n s   to   ev alu ate  s u s ce p tib ilit y   an d   d eter m in ef f ec tiv d ef en ce s .   Po wer   an aly s is   an d   elec tr o m ag n etic  s id ch an n els  ar lev er ag ed   to   ex tr ac t   in f o r m atio n .   d u al  r ail  lo g ic  with   m ask in g   is   an aly s ed   as   co u n ter m ea s u r s tr ateg y .   T h r esu lts   p r o v id e   p r ac tical  s ec u r ity   v alid atio n   an d   r ec o m m e n d atio n s   f o r   s ec u r in g   n ascen p o s t - q u a n tu m   s y s tem s   as   th ey   ar in teg r ated   in to   c o m m u n icatio n   in f r astru ctu r in   th co m in g   y ea r s .   Qu an tify in g   v u ln er ab ilit y   a n d   d em o n s tr atin g   m itig atio n   v i ab ilit y   ag ain s co n tem p o r ar y   attac k   tech n iq u es  d eliv er s   cr u cial  in s ig h b ey o n d   m ath em atica l p r o o f s   alo n as  cr y p to g r ap h y   m ig r ates in to   th q u an tu m   ag e.   B ased   o n   t h f i n d i n g s   o f   t h i s   s t u d y ,   th s u b s e q u e n t   s i g n if i ca n c es  ar c o n s id er e d   p a r a m o u n t   i n   co n t r i b u ti n g   t o   th e   e x is t i n g   b o d y   o f   k n o wl ed g r eg ar d i n g   PQC   s e c u r it y .   Fi r s t ly ,   it   p r o p o s es   a n   ex te n s i v e   em p i r ic al  ass ess m e n t   o f   s id e - c h a n n el   v u l n er a b ili ty   o n   p i ec e   o f   h a r d wa r t h a t i m p le m e n ts   C R YSTA L S - K y b e r   an d   tak es  ca r o f   t h ab s en ce   o f   th o r o u g h   s ec u r ity   ass ess m en ts   o f   th is   p r o m is in g   p o s t - q u an tu m   ca n d id ate.   T h s tu d y   m ea s u r es  th ef f icien cy   o f   d if f er en m ask in g   s tr a teg ies  co n s id er in g   h o well  th ey   p r o tect  ag ain s t   p o wer   an al y s is   attac k s ,   it  p r o v id es  r ea n u m b er s   o n   th im p r o v em en in   s ec u r ity   th at  is   o b t ain ab le  ag ain s th co s o f   im p lem en tatio n .   T h is   wo r k   an aly s es  b o th   th p o wer   an d   elec tr o m ag n etic  s id e - ch a n n el,   an d   th e r ef o r e   p r o v id es  with   d i f f er en i n f o r m atio n   ab o u p o ten tial  attac k s   c o m p ar ed   to   th wo r k s   wh ich   h av b ee n   f o c u s in g   o n ly   o n   th p o wer   an aly s is .   Fu r th er ,   it  also   p r esen ts   an d   an aly ze s   n ew  b len d ed   co u n te r m ea s u r es  b ased   o n   b o th   h ig h e r - lev el  m ask in g   an d   co n tr o lled   tim d is p er s io n   t h at  im p r o v e   th e   ex is tin g   s id e - ch an n el   p r o tectio n   m eth o d s   f o r   lattice - b ased   cr y p to s y s tem s .   T h ese  co n tr ib u tio n s   f ill  th e x is tin g   k n o wled g e   g ap s   in   th ev alu atio n   o f   s id e - ch a n n el   attac k s   f o r   p o s t - q u an tu m   alg o r ith m s   an d   p r o v i d b o t h   n ew  th e o r etica l   f r am ewo r k s   an d   p r ac tical  r e co m m en d atio n s   f o r   d esig n in g   s id e - ch an n el  r o b u s cr y p to g r ap h ic  alg o r ith m s .   T h is   wo r k   o f f er s   im p o r ta n g u id an ce   in   th   r ea l - wo r ld   co s o f   s ec u r ity ,   p er f o r m an ce ,   an d   r eso u r ce   co n s u m p tio n   b ased   o n   s u b s tan tial  PQ C   im p lem en tatio n s   an d   co m p ar ativ s tu d ies  ca r r ied   o u in   th is   r esear ch .   T h u s ,   th is   wo r k   co n tr ib u tes  to   th e   d ev elo p m e n o f   s tr ateg ies  f o r   co m p r eh e n s iv r is k   an aly s is   a n d   c o u n ter m ea s u r es  ag ain s C R YSTA L S - Ky b er   to   en s u r th e   o p tim u m   s ec u r it y   o f   c r y p t o g r ap h ic  s y s tem s   in   th co n te x o f   n ewly   d is co v e r ed   th r ea s ce n a r io s   b ased   o n   q u an t u m   co m p u tin g .   T h r esu lts   an d   ap p r o ac h es  d escr ib ed   h er d o   n o o n ly   s tr en g th en   th s ec u r ity   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ec u r in g   p o s t - q u a n tu cryp to g r a p h y:   s id e - c h a n n el  r esil ien ce   in   C R YS TALS - K yb er     ( S h r ey a s   K a s tu r e)   5253   o f   C R YSTA L S - Ky b er   in s tan tiatio n s   b u also   o f f e r   a   p r o ce d u r to   e v alu ate  a n d   im p r o v th e   s id e - ch an n el   s id e   o f   o t h er   PQC   co n te n d er s .   Fig u r illu s tr ates  p o o ls   f o r   m a n ag in g   k e y s   in   q u an tu m   cr y p to g r ap h y   co m m u n icatio n   n etwo r k s .   I n   th is   in s tan ce ,   th e   q u a n tity   o f   q u an tu m   k ey s   h el d   b y   e v er y   q u a n tu m   k ey   d is tr ib u tio n   ( QKD )   d o m ain .   I n   r ec e n y ea r s ,   s ig n if ican a d v an ce s   h av e   b ee n   m ad e   in   t h e   s tate  o f   th e   ar in   s id ch a n n el  an aly s is   o f   PQC ,   with   f o cu s   o n   lattice - b ased   s ch em es  lik e   C R YSTA L S - Ky b er   t h at  h a v b ee n   d is cu s s ed   o v er   liter atu r e   r ev iew  s ec tio n   o f   th is   p ap er .   Desp ite  p r o v id in g   p r o m is ag ain s s im p le  p o wer   an aly s is   at tack s ,   th eir   wo r k   o n   f ir s o r d er   m ask in g   f o r   Ky b er   leav es  o p en   q u esti o n s   ab o u h o to   d ef en d   ag ai n s h ig h er   o r d er   attac k s .   Ou r   wo r k   attem p ts   to   clo s th g a p   b etwe en   th eo r etica s ec u r ity   g u ar an tees  an d   p r ac tical  im p le m en tatio n   is s u es  in   Ky b er   h ar d war d e p lo y m e n ts   b y   ad d r ess in g   th ese  asp ec ts .   T h is   s tu d y   b u ild s   u p o n   t h ese  f o u n d atio n s   b y   i)   co m p r eh e n s iv s id ch an n el  s ec u r ity   an aly s is   f o r   all  Ky b e r   p ar am eter   s ets o n   FP GA  p lat f o r m s .   ii)   C h ao tic  an aly s is   o f   h ig h er   o r d er   m ask in g   ( u p   to   8   b its )   v s .   a d v an ce d   p o wer   a n aly s is .   iii)   n o v el  h y b r id   co u n ter m ea s u r th at  co m b in es m ask in g   with   co n tr o lled   tim r an d o m izatio n .   iv )   Dem o n s tr ate  th v alid atio n   o f   p r o p o s ed   c o u n te r m ea s u r es  in   r ea l   I o T ,   f in a n cial ,   an d   s atellite  co m m u n icatio n .           Fig u r 1 .   Stru ctu r o f   q u a n tu m   k ey   m a n ag em e n t sy s tem       2.   L I T E R AT U RE   R E VI E W   2 . 1 .     Q ua ntu m   k e y   dis t ributi o n a nd   po s t - qu a ntum   cr y pto g ra ph y   Qu an tu m   co m p u tin g   in   cr y p t o g r ap h y   h as  b ee n   f o c u s   o f   r esear ch   in ter est  f o r   th p ast  co u p le  o f   d ec ad es.  T h is   f ield   o f   s tu d y   was  in tr o d u ce d   b y   R ich ar d   Fey n m an   i n   1 9 8 2   a n d   is   b ased   o n   th c o n ce p t   o f   q u an tu m   co m p u ter s   th at   ca n   s im u late  q u a n tu m   s y s tem s   m u ch   m o r e   ef f ec tiv ely   th an   class ical  co m p u ter s .   Sin ce   th en ,   s cien tis ts   h av b e en   lo o k in g   at  h o th ch em i ca an d   p h y s ical  asp ec ts   th at  co n s titu te  q u an tu m   m ec h an ics  co u ld   b u s ed   t o   s tr en g th en   m et h o d s   o f   en cr y p tio n ,   a n d   p o s s ib le  d er ailin g   th co n v en tio n al  cr y p to g r ap h ic  m o d els.  Path ar an d   Desh m u k h   [ 5 ]   h av b ee n   s tu d y in g   th p o s s ib ilit ies  o f   q u an tu m   co m p u tin g   f o r   c r y p to g r ap h y   f o r   s ev er al  d ec ad es.  Stu d ies  s h o th at  t h s tr en g th   o f   s o m m ath em atica p r o b lem s ,   s u ch   as   f ac to r in g   b ig   p r im n u m b er s   an d   co m p u tin g   d is cr ete  lo g ar i th m s ,   is   es s en tial  to   k ey   cr y p to g r ap h y .   Ho wev er ,   q u an tu m   c o m p u ter s   m ay   b e   a b le  to   s o lv th ese  p r o b lem s   m u ch   f aster   u s in g   al g o r ith m s   li k Sh o r ' s   alg o r ith m .   T h is   co u ld   b r ea k   wid ely   u s ed   s ch em es  lik R SA  en cr y p tio n .   R esear ch er s   h av th u s   in v esti g ated   q u a n tu m   k ey   d is tr ib u tio n   an d   o th er   q u a n tu m   cr y p to g r ap h ic  m eth o d s   th a co u ld   b e   r esis tan ev en   to   q u an tu m   c o m p u ter s .   QKD  p r o to co ls   lik B en n ett  an d   B r ass ar d   1 9 8 4   ( B B 8 4 )   e n co d in f o r m atio n   in   q u an tu m   s tates  o f   p h o to n s .   T h B B 8 4   p r o to co tr an s m its   p h o to n s   p o lar ized   v e r tically ,   h o r izo n tally ,   4 5 °   d iag o n al   o r   1 3 5 °   d iag o n al,   r ep r esen tin g   b it  v alu es  o f   0   an d   1 .   An   ea v esd r o p p er   d is tu r b i n g   th ese  q u an tu m   s tates  will  b d etec ted   th r o u g h   er r o r s .   T h is   allo ws  two   p ar ti es  to   s ec u r ely   s h ar r an d o m   b it  k ey s .   T h s ec u r ity   o f   B B 8 4   ca n   b p r o v e n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 4 ,   No .   6 ,   Dec em b er   2 0 2 5 :   5 2 5 1 - 5 2 6 7   5254   in f o r m atio n - th eo r etica lly   u s in g   en tr o p y   ca lcu latio n s .   I f   th e   b it  e r r o r   r ate   is   lo e n o u g h ,   E v e' s   in f o r m atio n   I ( A;E )   ab o u t th k e y   is   less   th an   Alice  an d   B o b ' s   s h ar ed   in f o r m atio n   I ( A;B ) .   T h is   g u ar an te es secu r k ey s .     ( ; ) < ( ; )   ( 1 )     Oth er   QKD  p r o to c o ls   lik co h er en o n e - wa y   ( C OW )   s ch em en c o d in f o r m atio n   i n   p h o to n   tr an s m is s io n   tim e.   Secu r ity   p r o o f s   r ely   o n   en t r o p y   an d   a u t h en ticated   ch an n el  ass u m p tio n s   [ 6 ] .   Ni  et  a l [ 7 ]   h ig h lig h ted   n o v el  cr y p to g r ap h y   tech n iq u es  th at  with s tan d   attac k s   f r o m   q u a n tu m   an d   tr a d itio n al  co m p u ter s   alik e.   T h is   n ew  f ield   is   ca lled   PQC .   On alg o r ith m   ca lled   SIK E   u s es  s u p er s in g u lar   is o g en ies  to   g e n er ate   en cr y p tio n   k e y s .   T h e y   h av e   s tu d ied   way s   t o   o p tim ize  h ar d war e   im p lem en tatio n s   o f   SIK E .   T h e y   h av e   d esig n ed   im p r o v e d   m u ltip lie r   cir cu its   th at  ca n   p er f o r m   m ath em atica o p er atio n s   f aster .   Oth er   wo r k   h as   f o cu s ed   o n   ar r an g in g   th co m p u tatio n s   in   an   ef f icien p ip elin ed   m an n e r   to   in cr ea s s p ee d s .   An o th er   alg o r ith m   ca lled   K y b er   t h at  is   b ased   o n   lattices  h as  also   b ee n   o p tim ized .   Ky b e r   u s es  tech n iq u c alled   n u m b er   th e o r etic  tr an s f o r m s   to   p er f o r m   th m u ltip licatio n   o f   lar g n u m b e r s   m o r ef f i cien tly .   Har d war ac ce ler ato r s   h av b e en   d e v elo p ed   to   im p lem en t th tr a n s f o r m atio n s   an d   o t h er   o p er atio n s   i n   Ky b er   [ 8 ] .   Ug wu is h iwu   et  a l [ 9 ]   f o cu s ed   o n   e x p lo r i n g   h o q u an t u m   co m p u ter s   co u ld   b r ea k   tr ad itio n al   en cr y p tio n .   On im p o r tan f i n d in g   was  Sh o r ' s   alg o r ith m ,   wh ich   s h o ws  h o q u an t u m   co m p u ter   m ay   ef f ec tiv ely   d eter m in v er y   b ig   n u m b e r ' s   p r im f ac to r s .   T h is   wo u ld   r en d er   m a n y   c o m m o n   p u b lic - k ey   en cr y p tio n   m eth o d s   in s ec u r e.   Su b s eq u en wo r k   s tu d ied   h o to   im p lem en Sh o r ' s   al g o r ith m   o n   ac tu al   q u an tu m   co m p u ter s   as  th ey   w er b u ilt.  T h e y   h a v s tu d ied   t h s ec u r ity   o f   d if f e r en q u an t u m   k ey   d is tr ib u tio n   p r o to co ls   an d   th eir   r esil ien ce   ag ain s attac k s   w ith   f u tu r q u an tu m   co m p u ter s .   W o r k   h as  also   f o cu s ed   o n   d ev elo p in g   " p o s t - q u a n tu m "   c r y p to g r ap h y   s tan d a r d s   th at   c o u ld   b s ec u r e v en   ag ain s q u a n tu m   attac k s   u tili zin g   Sh o r ' s   alg o r ith m   [ 1 0 ] .   Nir au la  et  a l [ 1 1 ]   h av p r o m p ted   r esear ch   in to   q u an tu m - r esis tan cr y p to g r a p h ic  s y s tem s   th at     co u ld   with s tan d   a n   attac k   f r o m   q u a n tu m   c o m p u ter .   PQC   is   o n ap p r o ac h   b ein g   d e v el o p ed   to   cr ea te  n ew  p u b lic - k e y   en c r y p tio n   s tan d a r d s .   Oth er   s tu d ies  h av f o c u s ed   o n   s tu d y in g   th e   p er f o r m an ce   d if f er en ce s   b etwe en   q u an t u m   an d   class i ca alg o r ith m s   f o r   s im ilar   p r o b lem s .   R esear ch er s   h av f o u n d   th at  q u an tu m   alg o r ith m s   lik f o r   d atab as s ea r ch   is s u es,  Gr o v er ' s   ap p r o ac h   en a b les  q u ad r atic  i m p r o v e m en ts   o v e r   co n v en tio n al  alg o r ith m s .   T h is   h as  im p licatio n s   in   ter m s   o f   h o q u ick ly   q u an t u m   co m p u ter   m ay   b ab le  to   s ea r ch   th r o u g h   e n cr y p ted   d ata   [ 1 2 ] .   Ng u y en   et  a l [ 1 3 ]   f o cu s ed   o n   h o to   im p lem e n q u a n tu m   k ey   d is tr ib u tio n   n etwo r k s   to   s ec u r ely   tr an s m it  en cr y p ti o n   k ey s   b etw ee n   d if f e r en lo ca tio n s .   T h e y   h av p r o p o s ed   tech n i q u es  f o r   s ep ar atin g   q u an tu m   s ig n als  f r o m   class ical  d ata  s ig n als  s in ce   th ey   o f ten   n ee d   to   b tr an s m itted   to g eth er   o n   th s am o p tical  f ib e r s .   Pro p er ly   r o u tin g   th e   q u a n tu m   s ig n als  ca n   h elp   r ed u ce   is s u es  ca u s ed   b y   th class ical  s ig n als.  Oth er   wo r k   h as   f o cu s ed   o n   h o to   d esig n   n etwo r k   ar ch itectu r an d   r o u tin g   alg o r ith m s   th at  o p tim ize  k ey   g e n er atio n   a n d   d is tr ib u tio n .   T h is   in clu d es  d e ter m in in g   th e   b est  p ath s   ac r o s s   th n etwo r k   to   d eliv er   k e y s   wh er th ey   ar e   n ee d ed .   Ad d itio n al  r esear ch   aim ed   to   in teg r ate  q u a n tu m   k ey   d is tr ib u tio n   n etwo r k s   with   ap p licatio n s   th at  r eq u ir s ec r et  k e y s   [ 1 4 ] .     2 . 2 .     H a rdwa re   im plem ent a t io ns   a nd   ef f iciency   o ptim iza t io n   W u   et  a l [ 1 5 ]   h a v ex p l o r e d   m an y   d if f er en a p p r o ac h es   f o r   p er f o r m i n g   m o d u lar   m u ltip licatio n   ef f icien tly .   On e   ea r ly   m et h o d   was  Mo n tg o m er y   r ed u ctio n ,   wh ich   was  in tr o d u ce d   in   1 9 8 5 .   T h is   m eth o d   av o id s   tr ial  d iv is io n   an d   allo ws  m o d u lar   m u ltip licatio n   t o   b p er f o r m e d   with   o n ly   ad d itio n s   an d   s h if ts .   Ho wev er ,   it  d o es  r e q u ir e   p r ec o m p u tin g   v alu es.  L ater   w o r k   f o cu s ed   o n   o p tim izin g   m o d u lar   m u ltip licatio n   f o r   u s in   p o s t - q u a n tu m   c r y p t o s y s tem s   estab lis h ed   o n   is o g en ies,  as  th s u p er s in g u lar   is o g en y   Dif f ie Hellm a n   k ey   e x ch an g ( SID H) .   Dif f er en alg o r ith m s   wer p r o p o s ed   to   r ed u ce   th e   n u m b er   o f   f i eld   m u ltip licatio n s   n ee d ed ,   in clu d i n g   f ast  f in ite  f ield   m u ltip lier   1   ( FF M1 ) ,   F FM2 ,   an d   im p r o v ed   f ast  f in i te  f ield   m u ltip lier   ( I FF M ) .   Har d war ar ch itect u r wer also   d esig n ed   to   im p lem en th ese  alg o r ith m s   ef f icien tly   u s in g   tech n iq u es lik p a r alleliza tio n   ac r o s s   m u ltip le  m u ltip lier s   [ 1 6 ] .   C h en g   et  a l [ 1 7 ]   d is cu s s es  h o q u an tu m   c r y p t o g r ap h y   c o m m u n icatio n   h as  s ev er al  ad v an t ag es  o v er   tr ad itio n al  cr y p t o g r a p h y   m et h o d s .   I h as  b ee n   u s ed   t o   s ec u r ely   co n n ec n etwo r k s   f o r   g o v er n m en a g en cies,  b an k s ,   an d   f in an cial  in s titu tio n s   d u to   th n ee d   to   p r o tect  s en s itiv d ata.   I is   also   b ei n g   im p lem en ted   in   p o wer   g r id s   an d   u tili ty   n etwo r k s   to   en cr y p co m m u n icatio n s   as  th ese   s y s tem s   b ec o m m o r au to m ated   a n d   in ter co n n ec ted .   Satellite - b ased   q u a n tu m   cr y p to g r a p h y   n et wo r k s   ar e   b ein g   ex p lo r ed   f o r   ap p licatio n s   th at   r eq u ir lo n g   d is tan ce   s ec u r tr an s m is s io n .   T h p ap er   o u tlin e s   s o m ch allen g es  th at  s till   n e ed   to   b ad d r ess ed   f o r   wid er   ad o p tio n   o f   t h is   tech n o lo g y .   T h m a x im u m   t r an s m is s io n   d is tan ce s   o v er   o p tical  f ib er   a r cu r r en tl y   lim ited   to   ar o u n d   5 0 - 1 0 0   k m   [ 1 8 ] .   Pas tu s h en k o   an d   Kr o n b er g   [ 1 9 ]   d is cu s s es  r esear ch   o n   im p r o v in g   th s ec u r ity   o f   p r o to co ls   f o r   th QKD.   W ith   QKD,   two   p eo p l ca n   cr ea te   s h ar e d   r a n d o m   k ey   th at  is   o n ly   k n o wn   to   th em .   b y   e n co d i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ec u r in g   p o s t - q u a n tu cryp to g r a p h y:   s id e - c h a n n el  r esil ien ce   in   C R YS TALS - K yb er     ( S h r ey a s   K a s tu r e)   5255   in f o r m atio n   in   th e   p o la r izatio n   o f   p h o to n s .   Ho wev e r ,   a n   ea v esd r o p p e r   c o u ld   tr y   to   in ter c ep th e   p h o to n s   a n d   o b tain   s o m e   in f o r m atio n   ab o u th k ey .   T h e   au th o r s   s u g g est  way   t o   r aise  t h s ec r et  k ey   r ate  with o u ch an g in g   th e   QKD  h ar d wa r o r   p r o to co ls   t h at  ar e   cu r r e n tly   in   u s e.   T h ey   s u g g est  e n cr y p tin g   er r o r   co r r ec tio n   co m m u n icatio n s   u s in g   o n o f   th k e y s   th at  was  p r e - d is tr ib u ted ,   r ath e r   th a n   tr an s m itti n g   th is   in f o r m atio n   in   th clea r .   T h is   d en ies  an   ea v esd r o p p er   ac ce s s   to   th er r o r   co r r ec tio n   d ata .   B y   en cr y p ti n g   er r o r   co r r ec tio n ,   leg itima te  u s er s   ca n   g en er ate  m o r s ec u r k ey   b its   co m p ar e d   to   th ac ce s s ib le  in f o r m atio n   b o u n d   [ 2 0 ] .   Fo u r n ar is   et  a l [ 2 1 ]   h av s tu d ied   h o to   im p lem en PQC   s ch em es  o n   d ev ices  with   v e r y   lim ited   m em o r y .   So m ea r l y   wo r k   lo o k ed   at  r u n n in g   s ch em es  lik Dilith iu m ,   Falco n ,   SP HI N C S an d   R ain b o o n   d ev ices  with   less   th an   8   KB   o f   R AM .   Ho wev e r ,   t h ese  s tu d ies  f o u n d   it   was  o n l y   p o s s ib le  to   d o   s ig n atu r e   v er if icatio n   an d   n o th e   f u ll   c r y p to g r ap h ic   o p e r atio n s   d u e   to   th e   m em o r y   n ee d e d .   On a p p r o ac h   r esear c h er s   ex p lo r ed   is   co m p u tin g   th e   p u b lic  k ey   "o n - th e - f ly "   r ath e r   th an   p r e - co m p u tin g   an d   s to r in g   it.  T h is   allo ws  f u ll   cr y p to g r ap h ic  o p er atio n s   to   b d o n with   less   m em o r y   u s ag e.   L attice - b ased   s ch em es  lik Ky b er   an d   Dilith iu m   th at  u s r in g   lear n in g   with   t h e r r o r s   p r o b lem   h av also   b ee n   im p lem en ted   o n   c o n s tr ain ed   d ev ices.   NT R lattice  s ch em es r ely in g   o n   th s h o r t in teg er   s o l u tio n   p r o b lem   h a v b ee n   ad ap te d   as we ll.  Po s t - q u an tu m   s ch em es  lik SIK E   a r b ased   o n   s u p e r s in g u lar   is o g en y   g r ap h s   a n d   h ar d   ass u m p tio n s   r elate d   to   f in d in g   s m o o th   is o g en ies b etwe en   elli p tic  cu r v es.  Key   e x ch an g r eli es o n   th co m m u tativ p r o p er t y   as in   ( 2 ) .       =     ( 2 )     SIK E 's  s ec u r ity   d ep en d s   o n   d if f icu lty   o f   s o lv in g   th s u p e r s in g u lar   is o g en y   p r o b lem   t o   f in d   cu r v r elatio n s h ip s .   Ky b er   an d   o th e r   lattice - b ased   s ch em es  co n s t r u ct  p u b lic  k ey s   as  lattice  p o i n ts   with   s ec r et s   a s   s h o r v ec to r s .   Secu r ity   r elies  o n   th lear n in g   with   er r o r s   ( L W E )   ass u m p tio n   th at  n o is y   lin ea r   eq u atio n s   h id e   s ec r et  v ec to r s   as in   ( 3 )   a n d   ( 4 ) .     = (    )   ( 3 )     = +   ( 4 )     C r y p tan aly s is   in v o lv es  s o lv in g   L W E   o r   ap p r o x im ate  s h o r test   v ec to r   p r o b lem s   o n   lattices.  Har d war e   o p tim izatio n s   u s n u m b er   th e o r etic  tr an s f o r m s   [ 2 2 ] .     2 . 3 .     Secure   da t a   s t o ra g e   a nd   net wo rk   s ec urit y   Sh im   et  a l [ 2 3 ]   d is cu s s es  th d esig n   o f   a   q u a n tu m   k ey   m an ag e m en s y s tem   ( QKM S)   to   h elp   in teg r ate  QKD  in to   r ea n etwo r k s .   I p r o p o s es  m u lti - lay er   ar ch itectu r e,   in clu d i n g   q u an t u m   d ev ice  lay er   to   g en er ate  k e y s ,   th k ey   m an ag em en lay er   to   s to r a n d   d is tr ib u te  th em ,   an d   tr an s m is s io n   l ay er   to   s u p p ly   k ey s   to   n etwo r k   eq u ip m en t.  T h s y s tem   was  te s ted   in   m u ltip le   s tag es  co n n ec tin g   d if f er en lab s   to   v alid ate  k ey   g en er atio n ,   r elay ,   a n d   d is tr ib u tio n .   T h ey   f o cu s ed   o n   d e v elo p in g   n ew  n etwo r k   ar ch itectu r an d   m an a g em en t   s y s tem s   to   h elp   m ak QKD   a   p r ac tical  s o lu tio n   f o r   s ec u r co m m u n icatio n   n etwo r k s   o f   t h f u tu r e.   Mo d u lar   m u ltip licatio n   is   ess en tial  in   p u b lic - k ey   cr y p to g r a p h y .   Mo n tg o m er y   r e d u ctio n   p er f o r m s   f ast  m o d u lar   m u ltip licatio n s   u s in g   s h if ted   a d d itio n s   in s tead   o f   t r ial  d iv is io n .     = 1 (    )   ( 5 )     = 2   ( 6 )     Par alleliza tio n   an d   s p ec ial  m o d u lar   al g o r ith m s   also   s p e ed   u p   p o s t - q u a n tu m   s ch em e s .   FP GA  an d   ASI C   p latf o r m s   p r o v id e f f icien cy   g ain s   [ 2 4 ] .   U k w u o m a   e t   a l [ 2 5 ]   h a v e   l o o k e d   a t   w a y s   t o   s e c u r e l y   s t o r e   d a t a   i n   c l o u d   c o m p u t i n g .   T w o   a l g o r i t h m s   s u g g e s t e d   a r e   M c E li e c e   c r y p to g r a p h y   a n d   N T R U .   M c E l ie ce   i s   m e n t i o n e d   f o r   e n c r y p t i n g   c r e d e n t i a l s ,   w h il N T R U   w as   u s e d   f o r   u s e r   f i le s   a n d   r e c o r d s .   C o m b i n i n g   d i f f er e n t   e n c r y p t i o n   m e t h o d s   i s   a n o t h e r   a p p r o a c h   t h e y   h a v e   t a k e n .   O n e   f r a m ew o r k   em p l o y e d   d u a l   R S A   a u t h e n t i c ati o n ,   m e s s a g e - d i g e s t   5   ( MD 5 )   in t e g r i t y   c h e c k s ,   a n d   e l l i p ti c   c u r v e   c r y p t o g r a p h y   en a b l i n g   e n c r y p t i o n .   O t h e r   i d e n t i t y   b as e d   e n c r y p t i o n   u s i n g   l a t ti c e s   w as   o n t e c h n i q u e   p r o p o s e d   t o   m a k e   k e y   m a n a g e m e n t   e a s i e r   [ 2 6 ] .   A k t e r   e t   a l [ 2 7 ]   h a v e   b e e n   e x p l o r i n g   d i f f e r e n t   a p p r o a c h e s   t o   n e t w o r k   s e c u r i ty   a s   t e c h n o l o g y   a d v a n c e s .   S e v e r a l   Q K D   p r o t o c o l s   h a v e   b e e n   p r o p o s e d ,   a n d   o n e   w e l l - k n o w n   p r o t o c o l   i s   B B 8 4 ,   w h i c h   t r a n s m i ts   p h o t o n s   e n c o d e d   i n   o n e   o f   s e v e r a l   p o l a r i z a t i o n   s t at e s .   Ot h e r   p r o t o c o l s   u s e   d i f f e r e n t   e n c o d in g s   l i k e   ti m e   b i n s   o r   o r b i t al   a n g u l a r   m o m e n t u m .   E x p e r i m e n t s   a r e   w o r k i n g   t o   i m p l e m e n t   t h e s p r o t o c o l s   o v er   i n c r e a s i n g l y   l o n g   d is t a n c es   u s i n g   f i b e r   o r   f r e e - s p a c l i n k s .   C o m b i n e d   QK D   a n d   P QC   a p p r o a c h e s   h a v e   b e e n   p r o p o s e d   t o   p r o v i d e   l o n g - t e r m   s e cu r i t y   f o r   c r i t i c al   i n f r a s t r u c t u r e   n e t w o r k s   [ 2 8 ] .   W an g   et  a l [ 2 9 ]   a n aly ze d   th s id e - ch an n el  v u ln er a b ilit ies  o f   th C R YSTA L S - Dilith iu m   s ig n atu r e   s ch em e.   T h ey   em p l o y ed   co r r elatio n   p o wer   an aly s is   ( C PA)   to   in v esti g ate  leak ag f r o m   p o wer   c o n s u m p tio n   d u r in g   p o ly n o m ial  m u ltip licatio n ,   k e y   o p e r atio n   in   t h s ig n atu r g en er atio n   p r o ce s s .   B y   co llectin g   p o wer   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 4 ,   No .   6 ,   Dec em b er   2 0 2 5 :   5 2 5 1 - 5 2 6 7   5256   tr ac es  f r o m   an   FP GA  im p le m en tatio n   o f   Dilith iu m ,   th r esear ch er s   d em o n s tr ated   h o C PA  co u ld   r ec o v er   p ar tial  p r iv ate  k ey   c o ef f icien t s .   T o   im p r o v t h ef f icien c y   o f   th attac k ,   two   e n h an ce d   m eth o d s ,   C PA - p o in t - of - in ter est  ( Po I )   an d   C PA - it er ativ ( ITR ) ,   wer p r o p o s ed ,   wh ich   ex p lo ited   p ar allelis m   in   th FP GA’ s   ar ch itectu r to   ex tr ac m o r e   k ey   in f o r m atio n .   C PA - Po I   r e d u ce d   t h r e q u ir ed   n u m b er   o f   p o wer   tr ac es  b y     u p   to   1 6 . 6 7 %,  an d   C PA - I T R   ac h iev ed   u p   to   2 5 r ed u cti o n ,   wh ile  b o th   m eth o d s   s ig n if ican tly   in cr ea s ed   th n u m b er   o f   r ec o v e r ed   k e y   co ef f icien ts   co m p ar ed   t o   tr ad itio n a l CP [ 3 0 ] .   Ku n d u   et  a l [ 3 1 ]   p r o p o s ed   n ew  f au lt  attac k   o n   m ask ed   im p lem en tatio n s   o f   KE Ms  th at  ar b ased   o n   th L W E   p r o b lem ,   n am ely   o n   Ky b er .   T h attac k   tar g ete d   wea k n ess   in   th e   ar ith m eti c - to - B o o lean   ( A 2 B )   co n v er s io n   t h at  is   u s ed   in   m as k in g ,   an d   th u s   th lea k ag o f   s en s itiv in f o r m atio n   o cc u r s   ev en   with   th ap p lied   m ask in g .   Fin ally ,   t h s tu d y   was  ab le  to   ac h iev e   k ey   r ec o v er y   o n   a n   STM 3 2   p latf o r m   th r o u g h   s im u latin g   d ec ap s u latio n   f a u lts   an d   u tili s in g   b elief   p r o p a g atio n   f o r   k ey   r ec o v er y   th at  h as  also   b ee n   i m p lem en ted   th r o u g h   elec tr o m ag n etic  f au lt  in jectio n .   T h r esu lts   s tr ess ed   th lac k   o f   p r o tectio n   ag ain s jo in c o n tr o l - p ath   an d   f au lt   attac k s   an d   th n ec ess ity   f o r   e n h an cin g   th r eliab ilit y   o f   cu r r en t c o u n ter m ea s u r es .       3.   M E T H O DO L O G Y   m i x e d - m et h o d s   ap p r o ac h   is   u s e d   i n   t h is   wo r k   t o   ass ess   t h e f f ec t iv e n ess   a n d   s i d e   c h a n n el   h az ar d s   o f   c o u n te r m ea s u r es   f o r   t h C R YSTA L S   K y b e r   K E M   i m p le m e n ta ti o n .   q u a n ti tat iv ex p er i m e n t al   a n al y s is   is   co n d u ct ed   al o n g s id q u al ita ti v s ta tis ti ca e v a lu ati o n .   I m p le m e n ta ti o n t h e   r ef e r e n c C   i m p le m e n t ati o n   o f   t h e   Ky b e r   KE M   f r o m   t h e   C R YS T AL S   p r o j ec t   v e r s i o n   1 . 0   s u p p o r t in g   t h e   K y b er 5 1 2 ,   K y b e r 7 6 8 ,   a n d   K y b e r 1 0 2 4   p a r a m e te r   s ets   is   u t ili ze d .   S id c h a n n el   an al y s is :   C PA   as   w ell   as   d i f f e r e n ti al   p o we r   a n a ly s is   ( DPA )   m et h o d s   ar le v e r a g ed   t o   ex am in e   le ak ag e   f r o m   p o we r   c o n s u m p tio n   m ea s u r e m e n ts   ca p t u r e d   u s i n g   an   e x te r n al     h i g h - s p e e d   o s cil lo s co p e.   P o w er   t r ac es   a r s am p l ed   at  5 0 0   MS/s   wi th   1 2 - b it  p r ec is i o n   d u r i n g   p r iv at k e y   o p e r at io n s ,   wit h   1 0 , 0 0 0   t r ac es   co l le cte d   f o r   ea c h   p ar am ete r   s et.   T e m p lat c o n s tr u c ti o n Ga u s s ia n   t em p l ates   a r b u ilt   f o r   ea c h   b y t o f   t h e   s e cr e t k e y   u s i n g   t h e   r ec o r d e d   t r a ce s .   T h H am m i n g   d is t an ce   a n d   wei g h t st r u ct u r es   a r e   ap p li e d   t o   ass ess   co r r e lati o n   b et we en   ac t u al   a n d   p r ed ict e d   p o we r   co n s u m p t io n .   C o u n t e r m ea s u r e   a p p li ca ti o n :   s ca l ar   m u l ti p li ca t io n   is   s a f e g u a r d e d   u s i n g   1 - b it   a n d   4 - b i t B o o l ea n   m as k i n g   wit h   r a n d o m   m as k s .   Fig u r e   2   illu s tr ates  th h a r d wa r im p lem en tatio n   o f   th C R YSTA L S - Ky b er   KE M,   PQC   alg o r ith m .   T h d esig n   co m p r is es  f o u r   m ain   m o d u les:   i h as  Me m o r y   B an k   f o r   d ata  s to r ag p u r p o s e,   p o ly n o m ial   ar ith m etic  m o d u le  f o r   th co r ca lcu latio n   p u r p o s e,   h as h   s u b m o d u le  f o r   h ash   ca lcu l atio n ,   an d   f o r m at   s u b m o d u le  f o r   d ata  f o r m attin g   an d   t r an s f o r m atio n   p u r p o s e.   R AM   u n its ,   wh ich   co m p u te   m an y   FB   ter m s   at  o n ce ,   b u tter f ly   u n its   s p ec iali ze d   o n   p o ly n o m ial  m u ltip lic atio n ,   Hash   Fu n ctio n ,   a n d   s o m o th er s   lik FY  Sh u f f le,   UseHin t,   an d   Sam p le r .   T h e   ar c h itectu r e   d escr ib es  t h d ata   f lo w   b etwe en   th ese  c o m p o n en ts   an d   h as  d ata  in p u t   ( DI N )   a n d   d ata   o u tp u ( DOUT )   p o r ts ,   wh ich   d em o n s tr ates  an   im p lem en tat io n   o f   co m p u tatio n s   with   p o s s ib le  co u n ter m ea s u r es   ag ain s t SC in   PQC .           Fig u r 2 .   C R YSTA L S - Ky b er   KE M   h ar d war ar c h itectu r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ec u r in g   p o s t - q u a n tu cryp to g r a p h y:   s id e - c h a n n el  r esil ien ce   in   C R YS TALS - K yb er     ( S h r ey a s   K a s tu r e)   5257   Statis t ical  ev alu atio n th s tati s tical  an aly s is   o f   th r elatio n s h ip   b etwe en   ac tu al  an d   ex p ec ted   p o we r   co n s u m p tio n   is   d o n u s in g   Pear s o n ' s   co r r elatio n   co ef f icien an d   W elch ' s   t - te s t.  th r esh o ld   o f   0 . 8   is   u s ed   to   d eter m in s u cc ess f u k ey   r ec o v er y .   T h aim   is   to   s y s tem a tically   p r o f ile  s id ch an n el  e m is s io n s ,   g au g th ef f icac y   o f   tem p late  attac k s   i n   ex tr ac tin g   s ec r et  k e y s ,   an d   q u an tif y   th e   s ec u r ity   en h an c em en p r o v id ed   b y   m ask in g   co u n ter m ea s u r es.   T h r esu lts   ch ar ac ter ize  v u ln er a b ilit ies  an d   v alid ate  c o u n ter m ea s u r v iab ilit y   f o r   Ky b er   ag ain s t m o d er n   p o wer   an aly s is   tech n iq u es.   I n   ad d itio n   to   th r ef er en ce   C   im p lem en tatio n ,   th s tu d y   also   e x am in ed   o p tim ized   ass em b ly   im p lem en tatio n s   tar g etin g   AR C o r tex - M4   an d   I n tel  x 8 6 - 6 4   ar ch itectu r es.  T h is   allo wed   f o r   co m p ar is o n   o f   s id e - ch an n el  v u ln er a b ilit ies  ac r o s s   d if f er en t   o p tim izatio n   l ev els  an d   in s tr u ctio n   s ets.  T h p o we r   an aly s is   tech n iq u es  wer s u p p lem e n ted   with   elec tr o m ag n etic  ( E M)   s id e - ch an n el  an aly s is .   E tr ac es  wer ca p tu r e d   u s in g   n ea r - f ield   p r o b wit h   b a n d wid th   o f   6   GHz ,   p o s itio n ed   p r ec is ely   o v er   th cr y p to g r ap h ic   co r e.     T h p o wer   co n s u m p tio n   m o d e l P( t)   at  tim t w as e x p r ess ed   as   in   ( 7 ) .     ( ) =  ( ( ) , ( 1 ) ) + + ( )   ( 7 )     W h er HD  is   th Ham m in g   d is tan ce   b etwe en   co n s ec u tiv d ata  v alu es  d ( t)   an d   d ( t - 1 ) ,   α   is   s ca lin g   f ac to r ,     β is   co n s tan t o f f s et,   an d   ε ( t)   is   Gau s s ian   n o is e.   I n   ad d itio n   to   C PA  an d   DPA,   th s tu d y   in co r p o r ate d   m ac h in lear n in g - b ased   p r o f ilin g   attac k s   u s in g   co n v o l u tio n al  n eu r al   n etwo r k s   ( C NNs)  an d   lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM )   n etwo r k s .   T h s u cc ess   r ate   ( SR )   o f   an   n - tr ac attac k   was  q u an tifie d   as   in   ( 8 ) .      =  [ ( 1 , . . . ,  ) = ]   ( 8 )     W h er g   is   th k ey   r ec o v e r y   f u n ctio n ,   T i a r th o b s er v ed   tr ac es,  an d   k *   is   th co r r ec k ey .   B ey o n d   B o o lean   m ask in g ,   t h s tu d y   ev alu ated   th ef f e ctiv en ess   o f   s h u f f lin g   tech n i q u es,  tim e   r an d o m izatio n ,   a n d   h id in g   co u n ter m ea s u r es.   n o v el  h y b r id   co u n ter m ea s u r e   co m b in in g   h ig h e r - o r d er   m ask in g   with   co n tr o lled   ti m r an d o m izatio n   was  p r o p o s ed   an d   an al y ze d .   T h d - th   o r d er   m ask ed   r ep r esen tatio n   o f   v al u x   wa s   d ef in ed   as   in   ( 9 ) .     = 1 2   . . .  + 1   ( 9 )     W h er   d en o tes b itwis XOR an d   x i a r r a n d o m   s h ar es.   T - test   b ased   leak ag ass ess m en was  co n d u cted   u s in g   t h test   v ec to r   leak ag ass ess m en t   ( T VL A)   m eth o d o l o g y .   T h t - s tatis tic  was c alcu lated   as   in   ( 1 0 ) .     = ( 0 1 ) / ( / 0 + / 1 )   ( 1 0 )     W h er μ i,  s 1 ²,   an d   Ni  ar th m ea n ,   v ar ian ce ,   an d   n u m b er   o f   tr ac es  f o r   f ix ed   ( i=0 )   an d   r an d o m   ( i=1 )   in p u ts   r esp ec tiv ely .   T h s id e - ch an n el  r esil ien ce   o f   Ky b er   was  c o m p ar ed   a g ain s o th er   lattice - b ased   ca n d id ates.     T h r elativ s id e - ch a n n el  attac k   co m p le x ity   C   was d ef in ed   a s   in   ( 1 1 ) .     =  2 ( ) /  2 ( )   ( 1 1 )     W h er is   th lattice  d im en s io n   an d   q   is   th m o d u lu s .   T o   im p r o v th e   ex ter n al  v ali d ity   an d   o b tain   h ig h   r o b u s tn ess   ac r o s s   d if f er en ca s es,  we  h ea v ily   en r ich ed   th d ataset  b y   th v o lu m an d   v a r iab ilit y .   T o   h av e   m o r ex ten s iv d ataset,   th in itial  b en ch m ar k   was  s u p p lem en ted   with   m o r p o wer   tr ac es  o b tain ed   f r o m   th r ee   d if f er en p latf o r m s   b ased   o n   FP GA  d ev ices:   Xilin x   Ar tix - 7   a n d   Vir tex - 7 ,   a n d   I n tel  C y clo n V.   T h is   ex p a n s io n   au g m en ted   o u r   s am p le  s ize  f r o m   1 0 , 0 0 0   t o   5 0 , 0 0 0   tr ac es   p er   Ky b er   p ar a m eter   s et  ac r o s s   a   b r o a d er   r a n g o f   o p er atin g   co n d itio n s ,   clo ck   s p ee d s ,   an d   en v ir o n m en tal  co n d itio n s .   M o r eo v er ,   we  ex ten d ed   t h d atas et  b y   a d d in g   im p lem en tatio n   tr ac es,  in clu d in g   h ig h ly   o p tim ized   ass em b ly   co d f o r   AR C o r tex - M4   m icr o co n tr o ller   a n d   x 8 6 - 6 4   d esk to p   p r o ce s s o r   as  well   as  th r ef er en ce   C   co d e.   T h u s ,   we  u s ed   r ea l - wo r ld   ex p er i m en ts   th at  allo wed   u s   to   illu s tr ate  th p r ac tical   ap p licab ilit y   o f   o u r   ap p r o ac h   in   r ea lis tic  d ep lo y m en s ce n a r io s .   T h ese  ex p er im e n ts   co n s is ted   o f   in teg r atin g   o u r   s ec u r ed   K y b er   d esig n s   in t o   s am p le   I o T ,   a   f in an cial  t r an s ac tio n   s y s tem ,   an d   a   s atellite  co m m u n icatio n   s ce n ar io .   Sev er al   p er f o r m a n ce   p ar am ete r s   s u ch   as  k e y   g e n er atio n   tim e,   en ca p s u latio n / d ec a p s u latio n   tim e,   an d   o v er all  s y s tem   th r o u g h p u wer ev alu ated   with   d if f er e n n etwo r k   ch a r ac ter is tics   a n d   co m p u tatio n a l   wo r k lo ad s .   Fu r th er m o r e,   we   co n d u cted   ex p er im en ts   with   v ar io u s   p o s t - q u a n tu m   im p lem en tatio n s   ag ain s t   s im u lated   s id e - ch an n el   attac k s   to   ass ess   ap p licab ilit y   an d   r o b u s tn ess   o f   t h co u n ter m ea s u r es  p r o p o s ed   in   th is   p ap er   [ 3 2 ] .   I n   a d d itio n   to   af f i r m in g   th e   th eo r etica s ec u r ity   ass u r an ce s ,   th ese  ex ten s iv e x p er im en ts   en a b led   r ea lis tic  in v esti g atio n   o f   o u r   p r o p o s ed   s ec u r e   Ky b er   d ep lo y s   in   ter m s   o f   b o th   f ea s ib ilit y   an d   co s ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 4 ,   No .   6 ,   Dec em b er   2 0 2 5 :   5 2 5 1 - 5 2 6 7   5258   4.   P RO P O SE M O D E L   I n itial  s id e - ch an n el  an al y s is   ex p er im en ts   h av e   ch ar ac ter ize d   th an alo g   em is s io n s   f r o m   b aselin h ar d war im p lem en tatio n   o f   th C R YSTA L S - Ky b er   KE with   th Ky b e r 5 1 2   p a r am eter   s et.   An   a g ilen MSOX3 0 2 4 o s cillo s co p was  u tili ze d   to   ca p tu r tim e - s er ies  p o wer   tr ac es  d u r in g   th ex ec u tio n   o f   th e   Ky b er 5 1 2 _ g e n er ate_ k ey p air ( )   f u n ctio n ,   wh ich   c o m p u tes  th p u b lic  an d   p r iv ate  k ey .   T h o s cillo s co p s am p lin g   r ate  was  co n f i g u r ed   to   p r ec is io n   o f   1 2 - b it  a n alo g - to - d i g ital  co n v er s io n   at  5 0 0   m eg a - s am p les  p er   s ec o n d   ( MSPS).   Fig u r e   3   d e m o n s tr ates  lo n g - ter m   s ec u r ity   o f   clo u d   d ata  an d   in f r astru ct u r ag ain s q u an tu m   th r ea ts   wh ile  m in im izin g   d is r u p tio n   to   ex is tin g   s y s tem s   an d   wo r k f lo ws  d u r in g   th tr an s itio n .   As  p r o ac tiv ap p r o ac h   is   ess en tial to   g et  ah ea d   o f   th e   q u a n tu m   co m p u tin g   cu r v e .           Fig u r 3 .   B asic secu r ity   ar ch it ec tu r f o r   clo u d   co m p u tin g   th at  u s es PQC       Vis u al  in s p ec tio n   o f   th e   ac q u i r ed   p o wer   tr ac es  s h o ws  d ata - d ep en d e n am p litu d f lu ctu ati o n s   d u r in g   m ath em atica o p er atio n s   o n   t h 2 5 6 - b it  p r iv ate  k ey   v alu e .   Po wer   an aly s is   attac k s   lik e   C PA   ex p lo it  th is   leak ag to   r ec o v er   s ec r et  in f o r m atio n .   On   th b asis   o f   th e   k ey   b y te  v alu es'   Ham m in g   w eig h an d   d is tan ce ,   h y p o th etica p o wer   m o d els  wer b u ilt   [ 3 3 ] .   Pear s o n ' s   co r r elatio n   co e f f icien was  ca lc u lated   b etwe en   th e   m o d elled   a n d   m ea s u r ed   p o wer   tr ac es,  y ield in g   v alu es  e x ce ed in g   0 . 9   f o r   6 3 o f   th e   p r iv ate  k ey   b y tes.     T h is   h ig h   co r r elatio n   co n f ir m s   th f ea s ib ilit y   o f   s u cc ess f u C PA  attac k s   o n   u n p r o tec ted   h ar d war K y b er   im p lem en tatio n s .   T h ese  in iti al  r esu lts   m o tiv ate   ad d itio n al  r esear ch   in to   co u n ter m ea s u r es  to   s af eg u ar d   h ar d war e   Ky b er   ag ai n s p o wer   an aly s is   s id e - ch a n n el  at tack s .   R an d o m ized   B o o lean   m ask in g   p r esen ts   a   p r o m is in g   d ef en s ap p r o ac h .     4 . 1   P o wer   a na ly s is   v uln er a bil it y   o f   ha rdwa re   K y ber  imp lem ent a t io ns   DPA  an d   C P co n s titu te  th p r in cip al  s id e - ch an n el  ass au lt m eth o d s   th at  will b u s ed   to   c o m p r o m is th p r iv ac y   o f   co n te n th at  is   co n s id er ed   s ec r et.   C PA  lev er ag es   s tatis tica d ep en d en ce   b e twee n   in ter m ed iate   co m p u tatio n al   v alu es  an d   th r esu ltin g   p o wer   co n s u m p ti o n   em an ati o n s   to   ca r r y   o u an   ex h a u s tiv k ey   h y p o th esis   s ea r ch .   DPA  s u b tr ac ts   o u d ata - in d ep en d en p o wer   d r aws  to   is o late  th m in u te  d ata - d ep e n d en t   co n s u m p tio n   f lu ctu atio n s   attr i b u tab le  to   th m a n ip u latio n   o f   s en s itiv o p er a n d s .   c u s to m is ed   test   p latf o r m   h as  b ee n   d ev elo p ed   to   f ac ilit ate  h ig h - f id elity   p o wer   co n s u m p tio n   m ea s u r em e n ts   d u r i n g   th e   ex ec u tio n   o f   cr y p to g r ap h ic  p r im itiv es  o n   th Xilin x   Ar tix - 1 0 0 T   FP GA  u n d er   th e   test .   T h p r in ted   cir cu it  b o a r d   in co r p o r ates  lo w - n o is lin ea r   r eg u lato r s   an d   ex ten s iv d ec o u p lin g   to   m in im ize  am b ien t   p o wer   lin n o is e.   E lectr o m ag n etic  e m an atio n s   a r ca p tu r e d   u s in g   an   ac tiv d if f er en tial  p r o b e   with   p r e - am p lifie r   b ased   o n   th e   L MH 5 4 0 1   d esig n ,   p r o v id in g   6 0   d B   g ain   o v er   5 0 0   MH b an d .   T h is   en h a n ce s   th m icr o v o lt - s ca le     d ata - d ep en d en t e m is s io n s   ab o v th n o is f lo o r .   T ek tr o n i x   AFG3 2 5 2 C   ar b it r ar y   wav e f o r m   g e n er ato r   lo ck ed   to   t h 1 0   GSPS   s am p lin g   r ate  o f   t h T eled y n L eCro y   8 6 1 0 0 C   o s cillo s co p g en e r ates  5 0   M Hz  clo ck   f o r   th e   tar g et  d ev ic e.   T h is   en s u r es  ea ch   cr y p to g r ap h ic   o p e r atio n   is   d is cr etize d   in to   co n s is ten q u a n tu m   o f   2 0 0 , 0 0 0   s am p les  to   m itig ate  r ea lig n m e n in   p o s t - p r o ce s s in g .   An   FP GA  r ea d - b ac k   o f   th cy clic  r ed u n d an cy   ch ec k   v al u ca lcu lated   o n   th s ec r et  s ca lar   tr ig g er s   o s cillo s co p ac q u is itio n   to   s y n ch r o n ize  ca p tu r wit h   cr y p to g r ap h ic  ex ec u tio n .   R an d o m ized   b lin d in g   tech n iq u es  s u p p lem e n th co r B o o lean   m ask in g   c o u n ter m ea s u r es  to   im p ed C PA .   r an d o m l y   g en e r ated   b lin d   f ac to r   th at  is   c o n tin u o u s ly   r ef r esh e d   f r o m   a   cr y p to g r ap h ically   s ec u r e   h ar d war r an d o m   n u m b er   g en er ato r   is   ad d ed   to   ea ch   in ter m ed iate  v alu to   h id it.  T h is   en h an ce s   o b f u s ca tio n   o f   l ea k ag s ig n atu r es.   Mu tu al  in f o r m atio n   an al y s is   b ased   o n   a   k - n ea r est  n ei g h b o r s   alg o r ith m   will  s u p p lem en Pear s o n   co r r elatio n   m etr ics  to   id en tify   r esid u al   s tatis t ical  d ep en d en cies  r esis tan to   c o n v e n tio n al  co u n ter m ea s u r es.  Ad ap tiv e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ec u r in g   p o s t - q u a n tu cryp to g r a p h y:   s id e - c h a n n el  r esil ien ce   in   C R YS TALS - K yb er     ( S h r ey a s   K a s tu r e)   5259   s am p lin g   tech n iq u es  s elec tiv ely   an aly s th m o s in f o r m ativ tr ac s u b s ets   to   ac ce le r ate  k ey   r ec o v er y .   Prin cip al  co m p o n en t a n al y s is   p r o jects tr ac es in to   an   o r th o g o n al  b asis   to   co n ce n tr ate  in f o r m atio n   leak ag e.   ze r o - m ea n   u n it - v ar ian ce   n o r m aliza tio n   p r e - p r o ce s s es  tr ac es  to   m itig ate  g lo b al  o f f s et  d i m in is h in g   co r r elatio n   o b s er v ab ilit y .   L e ak ag ass ess m en in co r p o r ates  n o n - s p ec if ic  t - test s   ev alu atin g   th f u ll  tr ac d is tr ib u tio n   in   ad d itio n   to   l o c alize d   attac k s .   Ky b er ' s   p o ly n o m ial  ar ith m etic  r elies  o n   th n u m b er   th e o r etic   tr an s f o r m   ( NT T ) ,   an d   p o te n tial  f laws  in   it  ar e   ass ess ed   b y   co n tr asti n g   d if f er en t   f ast  Fo u r ier   tr an s f o r m   ( FFT )   im p lem en tatio n s   o n   is o m o r p h i r in g s .   T h Ham m in g   d is tan ce   an d   weig h t p o wer   f r am ewo r k s   will ser v as th e   p r im ar y   s tatis tical  est im ato r s   t o   co r r elate   h y p o th esized   in ter m ed iate  v alu es  with   r ec o r d ed   p o wer   wav ef o r m s .   T h Ham m in g   weig h m o d el   lin ea r ly   ass o ciate s   p o wer   c o n s u m p tio n   with   t h ca r d in a lity   o f   b it  v ec to r s .     T h Ham m in g   d is tan ce   m etr i co m p u tes  th ex clu s iv d is ju n ctio n   b etwe en   s u cc ess iv v alu es.   co r p u s   o f   1 0 , 0 0 0   elec tr o m ag n etic  p o we r   tr ac es  will  b co m p iled   p er   Ky b er   p ar am eter   s et  ex er cisi n g   th e   p r iv ate  k ey   g en er atio n   r o u tin e.   At  a   s ig n if ican ce   th r esh o l d   o f   α = 0 . 0 5 ,   th W elch ' s   t - test   ca n   b u s ed   to   i d en tify   an y   p o ten tially   ex p l o itab le  in f o r m atio n   leak ag b etwe en   h y p o th esized   m o d el  an d   r ea p o wer   tr ac es  with   a   Pear s o n   co ef f icien ex ce e d in g   0 . 8 .   d iv id e - an d - co n q u er   a p p r o ac h   r ec o n s titu tes  2 5 6 - b it  p r iv ate  k ey   8   b its   at   tim b y   ex p lo itin g   th m a x im al  co r r elatio n s .   C o m p a r at iv an aly s is   b etwe en   Ky b er 5 1 2   an d   Ky b er 1 0 2 4   elu cid ates th p r o p o r tio n al   in c r ea s in   m ea s u r em en ts   r eq u ir e d   to   co m p r o m is lar g e r   k e y   s izes.   Fig u r e   4   d em o n s tr ates  th s ec u r ity   im p ac o f   d if f er e n m a s k in g   lev els  ag ain s p o wer   ass es s m en s id e - ch an n el   ass au lt.  I d is p l ay s   p er ce n tag o f   b y tes  with   th r ig h cr y p to g r ap h ic  k ey   r ec o v er e d   as  an   in cr ea s in g   n u m b e r   o f   p o wer   tr ac es  ar e   s tu d ied   f r o m   ea ch   d esig n .   W ith   n o   m ask in g ,   th e   u n p r o tecte d   im p lem en tatio n   s ee s   r ap id   k e y   r ec o v e r y .   Af te r   an aly zin g   ju s 1 0 0   tr ac es,  th attac k e r   ca n   r ec o v er   1 0 o f   th e   co r r ec k ey .   B y   1 , 0 0 0   tr ac es,   7 0 o f   th k ey   is   k n o wn .   T h f u ll  k ey   g ets  leak ed   af te r   5 , 0 0 0   tr ac es  ar e   an aly ze d .   Ad d in g   m ask in g   s u b s tan tially   h in d er s   th is   k ey   r e co v er y .   W ith   1 - b it  m ask in g ,   o n ly   2 %   o f   th k ey   is   leak ed   af ter   1 0 0   tr ac es.  E v e n   af ter   1 0 , 0 0 0   tr ac es,  1 0 o f   th k ey   r em ain s   p r o tecte d .   I n cr ea s in g   to   2 - b it   m ask in g   f u r t h er   en h an ce s   s ec u r ity ,   with   o n l y   1 o f   th e   k ey   co m p r o m is ed   af te r   1 0 0   t r ac es.  T h b en e f its   co n tin u i m p r o v in g   with   4 - b it   an d   8 - b it  m ask in g ,   n eith er   o f   wh ich   leak   an y   k e y   b y tes  af t er   ju s 1 0 0   tr ac es.  E v en   with   1 0 , 0 0 0   t r ac es  an al y ze d ,   th e   4 - b it  m ask ed   im p le m en tatio n   o n ly   lo s es  4 0 o f   th k ey ,   wh ile  8 - b it  m ask in g   lim its   th is   to   1 5 %.  T h is   d em o n s tr ates  th "d iv id e - a n d - co n q u er "   attac k   p r o ce s s   g ettin g   ex p o n en tially   m o r d if f icu lt a s   g r ea ter   m ask i n g   is   ad d ed .           Fig u r 4 .   I n cr em e n tal  k ey   r ec o v er y   r ate  ch ar t       4 . 2 .     E v a lua t ing   B o o lea n m a s k ing   co un t er m ea s ures f o ha rdwa re   K y ber   Ad d itiv B o o lean   m ask in g   will  b im p lem en ted ,   wh e r e   an   in ter m ed iate  v alu x   is   s p lit  in to     x =x 1     x 2 .   Fre s h   r an d o m   m ask s   ar g en er ated   u s in g   c r y p to g r a p h ically   s ec u r h ar d w ar r an d o m   n u m b er   g en er ato r   ( R NG ) .   Ma s k in g   is   ap p lied   at  b o th   th lo g ic  an d   ar ith m etic  lev els  u s in g   d ed icate d   m ask ed   lo g ic   g ates  an d   m ask ed   m u ltip licatio n   cir cu its .   Fre s h   r e - m ask in g   o cc u r s   b ef o r ea c h   cr y p t o   o p er atio n   u s in g   n ew   r an d o m   m ask s .   Glitch   p r ev e n tio n   tech n iq u es  i n clu d e   ca s ca d ed   r e m ask in g   an d   b alan c ed   r o u tin g   o f   m ask   s ig n als.  Hig h er   o r d er   4 - b it  m ask in g   p r o v i d es  in cr ea s ed   s ec u r ity   b y   d is tr ib u tin g   x   ac r o s s   4   s h ar es  u s in g   m o r e   m ask   b its .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 4 ,   No .   6 ,   Dec em b er   2 0 2 5 :   5 2 5 1 - 5 2 6 7   5260   1 - b it  m ask in g   r eq u ir es  XOR/ XNOR  g ates.  4 - b it  m ask in g   u s es  co m p o s ab le  s h ar in g   cir c u its   with   ad d itio n al  XOR  g ates.  Mo r e   s h ar in g   in cr ea s es  s ec u r ity   b u r eq u ir es  m o r lo g ic   r eso u r ce s ,   h ar m in g   f r e q u en c y   an d   th r o u g h p u t.  Ar o u n d   1 0   f r esh   m ask s   ar g en er ate d   p er   o p er atio n   to   lim it  s ec u r ity   l o s s   f r o m   g litch es.   Ma s k ed   d esig n s   ar s y n th esized   u s in g   I SE  Desig n   Su ite  f o r   d ef e n s Sp ar tan - 6   FP GA.   T im in g   co n s tr ain ts   g u id p lace   a n d   r o u te   to   h it  1 0 0   MH w h ile  m in im izin g   E leak ag e   r is k s .   DPA  co n test   v 4 . 2   tech n iq u es  will   b ad ap ted   to   an aly s m ask e d   p o wer   tr ac es b y   tar g etin g   s h ar ed   in ter m ed iate  c o m p u tatio n s .   Fig u r e   5   s h o ws  th FP GA  r eso u r ce   u tili za tio n   o f   th u n m as k ed   cr y p to g r a p h ic  co r d esig n   co m p ar e d   to   th v ar i o u s   m ask ed   v er s io n s .   Sp ec if ically ,   it  tr ac k s   s lice  u s ag e,   lo o k u p   ta b les  ( L UT s ) ,   f lip   f lo p s ,   a n d   b lo ck   R AM s   ( B R AM s ) .   T h u n m ask ed   im p lem e n tatio n   u s es  b aselin o f   1 , 2 0 0   s lices.  T h s lice  co u n r is es  b y   2 5 to   1 , 5 0 0   s lices  wh en   1 - b it  m ask in g   is   in tr o d u ce d ,   illu s tr atin g   th ar ea   b u r d e n   ass o ciate d   with   im p lem en tin g   th is   d eg r ee   o f   p r o tectio n .   T h o v er h ea d   g e ts   wo r s as   m o r m ask in g   is   ad d ed   -   th 2 - b it  m ask ed   v er s io n   u s es 5 0 % m o r s lices a t 1 8 0 0 ,   wh ile  4 - b it a n d   8 - b it m ask ed   d esig n s   r eq u ir 2 x   an d   3 . 5 x   m o r e   s lices  r e s p ec tiv ely .   T h o th e r   r eso u r ce s   o f   L UT s ,   f lip   f lo p s ,   an d   B R AM s   s im ilar ly   i n cr ea s with   m o r m ask in g .   T h 8 - b it  m ask ed   d e s ig n   u s es  o v er   3 x   as  m an y   L U T s   an d   f lip   f lo p s   v er s u s   th u n m ask ed   co r e .   T h is   h ig h lig h ts   th s u b s tan tial  co s ts   o f   h ig h er   s ec u r ity   in   ter m s   o f   th ad d itio n al  FP GA  ar ea   an d   r eso u r ce s   r eq u ir ed .   E v en   th 2 - b it m ask ed   v er s io n   u tili ze s   o v er   2 x   th B R AM s   o f   th u n p r o tecte d   d e s ig n .           Fig u r 5 .   FP GA  s lice  u tili za ti o n   f o r   u n m ask ed   v s   m ask e d   v er s io n s       T h r esh o ld - b ased   ad d itiv B o o lean   m ask in g   will  b e   d ep l o y ed   to   p ar titi o n   in ter m e d iate  v alu es  in to   r an d o m ize d   s h ar es.  A   ( t+1 ) - o u t - of - n   s ch em e   with   t=3   will  b im p lem e n ted   to   r esis f ir s t - o r d er   s id e - ch a n n el   attac k s .   Fre s h   m ask s   wi ll  b g en er ated   u s in g   s u ite  o f   r in g   o s cillato r - b ased   t r u r an d o m   n u m b er   g en er ato r s   ( T R NGs )   wi th   n ested   co m b in ato r ial  h ash in g   ex tr ac ted   f r o m   th r aw  en tr o p y .   Glitch   m itig atio n   tech n iq u es  in clu d in g   ca s ca d ed   r em ask in g   an d   d y n am ically   o b f u s ca ted   ce ll s   ( DOC) will  h elp   s af eg u ar d   a g ain s tr an s ien t   in f o r m atio n   leak ag e.   Place  an d   r o u te  co n s tr ain ts   will  en f o r ce   Ma n h attan   r o u tin g   s y m m e tr y   to   b alan ce   E M   em an atio n s .   Hig h e r - o r d er   4 - b it  m ask in g   u tili ze s   co m p o s ab le  s h ar in g   cir cu its   s y n th esize d   f r o m   t h s er v e r   n am in d icatio n   ( SNI )   b in a r y   g ate  lib r ar y   t o   m in im ize  leak a g e .   Fig u r e   6   d en o tes  wh en   u n m ask ed   im p lem en tatio n   r ea c h e s   th h ig h est  f r eq u en cy - 1 2 7   MH z,   th f r eq u e n cy   o f   1 - b it  m ask in g   d r o p s   to   1 1 8   MH z,   ab o u a   7 p er f o r m an ce   im p ac t.   Ho wev e r ,   af ter   o p tim izin g   th 1 - b it  m ask ed   d esig n ,   it   ca n   ac h iev alm o s t   th s am e   f r e q u en cy   o f   1 2 5   MH z.   As  m o r e   m ask in g   is   ad d ed ,   th d r o p   in   m a x im u m   f r e q u e n cy   g ets  p r o g r ess iv ely   wo r s with o u o p tim izatio n .   T h 2 - b it  m ask ed   v er s io n   r ea ch es  1 1 2   MH z,   wh ile  4 - b it   an d   8 - b it  m ask ed   d esig n s   h av s ig n if ican tly   lo wer   f r e q u en c ies  o f   9 2   MH an d   7 1   MH r esp ec tiv ely .   T h is   s h o ws  th s u b s tan tial  p er f o r m an ce   co s ts   o f   h ea v ier   m ask in g .   Ho wev er ,   af ter   o p tim izatio n   th h ig h er   m ask e d   d esig n s   r eg ain   s o m lo s p e r f o r m a n ce .   T h e   o p tim ized   2 - b it  m ask in g   r ea ch es   1 2 2   MH z,   v er y   clo s to   t h u n m ask ed   f r eq u e n cy .   O p tim ized   4 - b it  an d   8 - b it  m ask in g s   im p r o v e   to   1 0 7   MH z   an d   9 6   MH z,   th o u g h   s till   lag g in g   th u n m ask ed   p er f o r m an ce .   Up   to   1 0 0   f r esh   r an d o m   m ask s   p er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.