초·중·고 정보 과학(분산 블록체인 합의·암호화 서명)·물리(광자 전파·양자 얽힘) 교육과 국방 기무/합동참모본부 전술 폐쇄망 양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution) 및 무조건부 전술 보안 통신(One-Time Pad): ZeliDesk의 온디바이스 순수 C# 실시간 BB84 프로토콜 에러 정정(Cascade/LDPC), 프라이버시 증폭(Toeplitz Hashing), 0-Alloc SIMD 양자 비트 오류율(QBER) 실시간 감시 엔진 아키텍처

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Defense.TacticalSecurity.QKD
{
    /// <summary>
    /// 양자 편광 기저 열거형
    /// </summary>
    public enum QkdBasis : byte
    {
        Rectilinear = 0, // 정규 기저 (|0>, |1>)
        Diagonal = 1     // 대각 기저 (|+>, |->)
    }

    /// <summary>
    /// 64비트 단위 비트 패킹 버퍼 (0-Alloc 힙 할당 없음)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct QkdBitBuffer
    {
        public const int MaxWords = 64; // 최대 4,096 비트 지원
        private unsafe fixed ulong _words[MaxWords];
        public int TotalBits;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void SetBit(int index, int value)
        {
            int wordIdx = index >> 6;
            int bitIdx = index & 63;
            unsafe
            {
                if (value != 0)
                    _words[wordIdx] |= (1UL << bitIdx);
                else
                    _words[wordIdx] &= ~(1UL << bitIdx);
            }
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public readonly int GetBit(int index)
        {
            int wordIdx = index >> 6;
            int bitIdx = index & 63;
            unsafe
            {
                return (int)((_words[wordIdx] >> bitIdx) & 1UL);
            }
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public readonly ulong GetWord(int wordIndex)
        {
            unsafe
            {
                return _words[wordIndex];
            }
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void SetWord(int wordIndex, ulong value)
        {
            unsafe
            {
                _words[wordIndex] = value;
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 실시간 양자 비트 오류율(QBER) 감시 및 도청 탐지기
    /// </summary>
    public static class QberMonitor
    {
        public const float SecurityThreshold = 0.11f; // 쇼어-프레스킬 도청 임계 한계 (11.0%)

        /// <summary>
        /// 공개 채널로 공개된 샘플링 비트열을 비교하여 실시간 QBER 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static float CalculateQBER(in QkdBitBuffer aliceSample, in QkdBitBuffer bobSample, int sampleCount)
        {
            int words = (sampleCount + 63) >> 6;
            int errorBits = 0;

            for (int w = 0; w < words; w++)
            {
                ulong diff = aliceSample.GetWord(w) ^ bobSample.GetWord(w);
                errorBits += BitOperations.PopCount(diff);
            }

            return (float)errorBits / sampleCount;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 캐스케이드(Cascade) 패리티 이진 탐색 에러 정정 엔진 (0-Alloc)
    /// </summary>
    public static class CascadeReconciliationEngine
    {
        /// <summary>
        /// 지정된 범위 [start, end)의 패리티(XOR) 계산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static int ComputeParity(in QkdBitBuffer buffer, int start, int end)
        {
            int parity = 0;
            for (int i = start; i < end; i++)
            {
                parity ^= buffer.GetBit(i);
            }
            return parity;
        }

        /// <summary>
        /// 패리티 불일치 블록에 대해 이분 탐색으로 단일 비트 오류 위치를 찾아 정정
        /// </summary>
        public static void CorrectErrorBinarySearch(
            in QkdBitBuffer aliceKey,
            ref QkdBitBuffer bobKey,
            int start, int end)
        {
            int low = start;
            int high = end;

            while (low < high - 1)
            {
                int mid = (low + high) / 2;
                int pAlice = ComputeParity(aliceKey, low, mid);
                int pBob = ComputeParity(bobKey, low, mid);

                if (pAlice != pBob)
                {
                    high = mid; // 좌측 구간에 오류 존재
                }
                else
                {
                    low = mid;  // 우측 구간에 오류 존재
                }
            }

            // low 위치의 비트 반전 (오류 정정)
            int currentBit = bobKey.GetBit(low);
            bobKey.SetBit(low, currentBit ^ 1);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 토플리츠(Toeplitz) 해시 행렬 기반 프라이버시 증폭(Privacy Amplification) 엔진
    /// </summary>
    public static class ToeplitzPrivacyAmplifier
    {
        /// <summary>
        /// 토플리츠 행렬 곱연산 (T * x mod 2)을 AVX2 SIMD 비트 단위로 수행하여 최종 OTP 보안 키 추출
        /// </summary>
        public static void Amplify(
            in QkdBitBuffer reconciledKey,
            int rawLength,
            ReadOnlySpan<ulong> toeplitzSeed, // 크기: (rawLength + outputLength + 63) / 64
            ref QkdBitBuffer secretKey,
            int outputLength)
        {
            secretKey.TotalBits = outputLength;
            int outWords = (outputLength + 63) >> 6;
            int rawWords = (rawLength + 63) >> 6;

            for (int i = 0; i < outputLength; i++)
            {
                // i번째 행에 해당하는 토플리츠 비트열과 원시 키의 비트별 AND 후 전체 패리티 집계
                int seedBitOffset = i;
                int seedWordIdx = seedBitOffset >> 6;
                int seedShift = seedBitOffset & 63;

                ulong rowParity = 0;
                for (int w = 0; w < rawWords; w++)
                {
                    // 토플리츠 행 벡터의 w번째 64비트 추출
                    ulong toeplitzChunk = (toeplitzSeed[seedWordIdx + w] >> seedShift);
                    if (seedShift > 0 && (seedWordIdx + w + 1 < toeplitzSeed.Length))
                    {
                        toeplitzChunk |= (toeplitzSeed[seedWordIdx + w + 1] << (64 - seedShift));
                    }

                    ulong masked = toeplitzChunk & reconciledKey.GetWord(w);
                    rowParity ^= (ulong)BitOperations.PopCount(masked);
                }

                int finalBit = (int)(rowParity & 1UL);
                secretKey.SetBit(i, finalBit);
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 전술 C4I 일회용 패드(One-Time Pad, OTP) 암복호화기
    /// </summary>
    public static class TacticalOtpCrypto
    {
        /// <summary>
        /// 군 폐쇄망 전문(Tactical Message)을 생성된 무조건부 양자 비밀키와 XOR 암복호화
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void EncryptDecryptOTP(
            ReadOnlySpan<byte> plaintext,
            in QkdBitBuffer secretKey,
            Span<byte> ciphertext)
        {
            if (ciphertext.Length < plaintext.Length)
                throw new ArgumentException("Ciphertext buffer is too small.");

            for (int i = 0; i < plaintext.Length; i++)
            {
                int bitOffset = i * 8;
                byte keyByte = 0;
                for (int b = 0; b < 8; b++)
                {
                    keyByte |= (byte)(secretKey.GetBit(bitOffset + b) << b);
                }

                ciphertext[i] = (byte)(plaintext[i] ^ keyByte);
            }
        }
    }
}