Quantum Digital Signatures for Unconditional Safe Authenticity Protection of Medical Documentation

Abstract

Modern medical documentation appears most often in an online form which requires some digital methods to ensure its confidentiality, integrity and authenticity. The document authenticity may be secured with the use of a signature. A classical handwritten signature is directly related to its owner by his/her psychomotor character traits. Such a signature is also connected with the material it is written on, and a writing tool. Because of these properties, a handwritten signature reflects certain close material bonds between the owner and the document. In case of modern digital signatures, the document authentication has a mathematical nature. The verification of the authenticity becomes the verification of a key instead of a human. Since 1994 it has been known that classical digital signature algorithms may not be safe because of the Shor’s factorization algorithm. To implement the modern authenticity protection of medical data, some new types of algorithms should be used. One of the groups of such algorithms is based on the quantum computations. In this paper, the analysis of the current knowledge status of Quantum Digital Signature protocols, with its basic principles, phases and common elements such as transmission, comparison and encryption, was outlined. Some of the most promising protocols for signing digital medical documentation, that fulfill the requirements for QDS, were also briefly described. We showed that, a QDS protocol with QKD components requires the equipment similar to the equipment used for a QKD, for its implementation, which is already commercially available. If it is properly implemented, it provides the shortest lifetime of qubits in comparison to other protocols. It can be used not only to sign classical messages but probably it could be well adopted to implement unconditionally safe protection of medical documentation in the nearest future, as well.

Współczesna dokumentacja medyczna ma coraz częściej postać cyfrową, a co za tym idzie – wymaga stosowania cyfrowych metod zapewniających zachowanie jej poufności, integralności i autentyczności. Jedną z metod zapewnienia autentyczności dokumentów jest ich podpisywanie. Stosowany w przypadku dokumentacji papierowej podpis odręczny bezpośrednio związany jest z wykonawcą ze względu na jego psychomotoryczną naturę. Związany jest również z podłożem oraz zastosowanym środkiem pisarskim. Dzięki tym cechom istnieje ścisły materialny związek pomiędzy wykonawcą a dokumentem. W przypadku współczesnych podpisów cyfrowych autentyfikacja dokumentów ma charakter matematyczny. Weryfikacja podpisującego staje się w zasadzie weryfikacją wprowadzonego klucza, a nie osoby, która go wprowadza. Od 1994 roku wiadomo, iż klasyczne algorytmy podpisu cyfrowego mogą być stosunkowo szybko przełamywane dzięki zastosowaniu propozycji Shora. Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie algorytmów podpisu kwantowego. Przedmiotem pracy jest analiza najnowszych algorytmów podpisów kwantowych, możliwych do zastosowania w autentyfikacji dokumentacji medycznej. W ramach pracy przeprowadzono analizę współczesnych algorytmów podpisów kwantowych. W szczególności zaś przedstawiono te obiecujące, mogące mieć zastosowanie w zapewnieniu bezwarunkowej ochrony autentyczności dokumentacji medycznej, oparte na protokole QDS z elementami QKD. Praca stanowi materiał wyjściowy do dalszych badań mzwiązanych z praktyczną realizacją tego typu zabezpieczeń w istniejących systemach gromadzenia i przetwarzania dokumentacji medycznej.